ColeçãoGeotecnia UnB Volume 1 Organizadores José Camapum de Carvalho Manoel Porfírio Cordão Neto Larissa Andrade de Aguiar Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília iii COLEÇÃO GEOTECNIA UNIVERSIDADE DE BRASÍLIA Volume 1 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília Organizadores José Camapum de Carvalho Manoel Porfírio Cordão Neto Larissa Andrade de Aguiar Brasília 2009 Editora FT iv PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM GEOTECNIA Campus Universitário Darcy Ribeiro, Edifício SG-12 Asa Norte – Brasília – DF – Brasil CEP: 70910-900 Fone:+55 (61) 3307-0973 www.geotecnia.unb.br e-mail:
[email protected] EQUIPE EDITORIAL Capa Ana Cláudia Lelis Revisão Cristiane Fuzer Editoração Eletrônica Fernando M. Neves TODOS OS DIREITOS RESERVADOS. É proibida a reprodução parcial ou integral deste livro, por qualquer meio ou processo, sem prévia autorização do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. A violação dos direitos autorais é punível como crime. Livro comemorativo dos vinte anos do Programa de PósL788 Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília / José Camapum de Carvalho, Manoel Porfírio Cordão Neto, Larissa Andrade de Aguiar, organizadores. – Brasília : Editora FT, 2009. xliv, 470 p. : il. ; 23 cm. ISBN 978-85-60313-15-0 1. Geotecnia. 2. Geossintéticos. 3. Solos. 4. Ensaios. 5. Obras geotécnicas. I. Carvalho, José Camapum de (Coord.) II. Cordão Neto, Manoel Porfírio (Coord.) III. Aguiar, Larissa Andrade (Coord.) CDU 624.13 Dissertações de Mestrado e Teses de Doutorado defendidas no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília até a data de lançamento deste livro Dissertações de mestrado FERREIRA, Jaqueline do Carmo. Estudos Sobre Drenagem e Redução de Umidade do Minério de Ferro de Carajás com a Utilização de Geossintéticos. Orientador: Ennio Marques Palmeira. 2009. PERINI, Daniel Sosti. Estudo dos Processos Envolvidos na Análise de Riscos de Barragens de Terra. Orientador: André Pacheco de Assis. 2009. MOTA, Igor Moreira. Análise dos Critérios de Projeto e Comportamento de Túneis de Pressão. Orientador: André Pacheco de Assis. 2009. ALVES, Paola Cristina. Cartografia Geotécnica para Obras Subterrâneas: Condições de Construções de Garagens Subterrâneas e Túneis. Orientador: Newton Moreira de Souza. 2009. ARAÚJO, Janaina Lima. Características Funcionais e mecânicas de Misturas Asfálticas para Revestimento de Pavimentos Aeroportuários. 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Estudo da Degradação e dos Recalques em Células Experimentais de Resíduos Sólidos no Aterro do Jockey Club/DF. Orientador: Pedro Murrieta Santos Neto. 2004. ARAÚJO, Luciana Michèlle Dellabianca. Estudo do Comportamento de Material Fresado de Revestimento Asfáltico Visando sua Aplicação em Reciclagem de Pavimentos. Orientador: Márcio Muniz de Farias. 2004. CAVALCANTE, André Luis Brasil. Transporte por Arraste de Sedimentos Heterogêneos Acoplado ao Mecanismo de Tensão-deformação-poropressão Aplicado às Barragens de Rejeitos. Orientador: André Pacheco de Assis. 2004. FAHEL, André Ricardo da Silva. Desempenho de Encontros de Ponte Reforçadas com Geogrelhas sobre Solos Moles. Orientador: Ennio Marques Palmeira; Coorientador: José Alberto Ramalho Ortigão. 2003. LIMA, Marisaides Cruz . Degradação Físico-Química e Mineralógica de Maciços Junto as Voçorocas. Orientador: José Camapum de Carvalho. 2003. SILVA, Lenildo Santos. Análise Limite de Problemas Geotécnicos com Elementos Finitos Mistos e Híbridos. Orientador: Márcio Muniz de Farias; Co-orientador: Carmem Lucia Sahlit. 2003. MONTEIRO, Sérgio Araújo. Aplicação da Mecânica da Fratura no Estudo do Trincamento no Concreto Asfáltico Utilizado em Pavimentos Rodoviários. Orientador: José Henrique Feitosa; Co-orientador: Márcio Muniz de Farias. 2003. REZENDE, Lilian Ribeiro. Estudo do Comportamento de Materiais Alternativos Utilizados em Estruturas de Pavimentos Flexíveis. Orientador: José Camapum de Carvalho. 2003. xxiii MOTA, Neusa Maria Bezerra. Ensaios Avançados de Campo na Argila Porosa não Saturada de Brasília: Interpretação e Aplicação em Projetos de Fundação. Orientador: Renato Pinto da Cunha. 2003. DUARTE, Kátia da Silva. Avaliação do Risco Relacionado à Contaminação dos solos Por Hidrocarbonetos no Distrito Federal. Orientador: Newton Moreira de Souza. 2003. MOREIRA, Melquisedec Medeiros. 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Mapeamento Geotécnico dos Materias Naturais de Construção do Distrito Federal: Uma base de dados para o planejamento e gestão. Orientador: Newton Moreira de Souza. 1999. Apresentação O Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília inciou suas atividades de pós-graduação strictu sensu em março de 1989, com a implantação do Curso de Mestrado em Geotecnia. Cinco anos depois, dava início ao Curso de Doutorado em Geotecnia. Ao longo dos anos o Programa de PósGraduação em Geotecnia vem consolidando sua posição na comunidade técnicocientífica como um Programa de Excelência Acadêmico-Científica. O sucesso do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília tem se fundamentado, por um lado, na busca da excelência acadêmica por parte dos professores e alunos e, por outro, em sua constante busca em atender os anseios da sociedade e às necessidades de desenvolvimento tecnológico do País. Sua atuação ampla no domínio Geotécnico tem se pautado na relação de parceria com empresas públicas e privadas e no atendimento às demandas dos órgãos de fomento à pesquisa. No campo das relações internacionais o Programa de PósGraduação em Geotecnia tem atuado recebendo docentes e alunos de graduação e pós-graduação oriundos de regiões como África, América do Sul, América do Norte, Ásia e Europa. Os seus docentes integram comitês editoriais de periódicos nacionais e internacionais e são membros e participantes de associações técnicas regionais, nacionais e internacionais. O Programa de Pós-Graduação em Geotecnia foi deflagrador de várias ações pró-desenvolvimento científico e tecnológico regional e do Brasil. A título de exemplo, sob sua iniciativa e organização foram iniciados os Simpósios Brasileiros de Solos não Saturados, Simpósio Brasileiro de Geossintéticos e o evento regional Solos Tropicais e Processos Erosivos no Centro-Oeste. Por estes e outros motivos o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, mais uma vez inovando na busca de contribuir para o desenvolvimento científico e tecnológico do País, decidiu lançar a Coleção Geotecnia – UnB. Nesta coleção buscar-se-á, a cada dois anos, lançar um livro contendo contribuições oriundas de monografias de final de curso de graduação, de dissertações de mestrado e de teses de doutorado do Programa, assim como pesquisas individuais desenvolvidas por seu corpo docente. xxvi Este livro comemorativo dos vinte anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília constitui o volume 1 dessa coleção e para organizá-lo o Colegiado do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília designou os professores José Camapum de Carvalho e Manoel Porfírio Cordão Neto e a aluna Larissa Andrade de Aguiar. Impossível seria, no entanto, fazer em um único volume, e em exíguo espaço de tempo, a cobertura abrangente das principais contribuições geradas no seio do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia em seus vinte anos de atividade. Sendo assim, este livro contém apenas as contribuições que puderam ser preparadas conjuntamente por docentes e discentes que integraram ou integram o Programa. O livro foi dividido em vinte capítulos que vão desde relatos de linhas de pesquisa até contribuições técnico-científicas de estudos específicos. O primeiro autor de cada capítulo foi o responsável por sua redação, esta efetuada sob a supervisão e revisão de professores integrantes do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Os organizadores deste livro e o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília vêm nesse momento prestar a sua homenagem e agradecer a cada um dos alunos e ex-alunos que participaram como autores ou que foram citados nesse livro, assim como aqueles que, por falta de oportunidade ou de tempo, não puderam dele participar, lembrando a importância de virem a participar nos próximos volumes. Os organizadores deste livro e o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade agradecem ainda de modo especial à Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES, ao Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico, CNPq e à Fundação de Apoio à Pesquisa do Distrito Federal, FAP-DF, pelo constante apoio dado as atividades de ensino e pesquisa nesses vinte anos de atividade. A este apoio tem se somado os financiamentos de projetos de pesquisa e as parcerias com empresas públicas e privadas. Finalmente, este livro constitui mais que um simples volume comemorativo dos vinte anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília; ele passa a ser um elemento de consulta a serviço dos alunos, dos pesquisadores, daqueles que objetivam somar-se a família Geotecnia UnB, dos profissionais e empresas de engenharia e da Administração Pública. José Camapum de Carvalho Manoel Porfírio Cordão Neto Larissa Andrade de Aguiar Autores do Livro Capítulo 1 – Contribuições recentes da UnB ao estudo dos geossintéticos Ennio Marques Palmeira Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 2 – Fluxo de líquidos através de barreiras compostas em aterros sanitários: influência das características do GCL Marianna Jacominy de Amorim Mendes Engenheira Civil, MSc., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Nathalie Touze-Foltz Cemagref, Unidade Hydrosystèmes et Bioprocédés. Ennio Marques Palmeira Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 3 – Estabilização de aterros sobre solos moles com geossintéticos: Pesquisas na UnB Gregório Luís Silva Araújo Engenheiro Civil, DSc., Professor Adjunto da Universidade Federal Rural do Semi-Árido. Ennio Marques Palmeira Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. xxviii Capítulo 4 – Contribuições para o estudo dos geossintéticos em sistemas de filtração e drenagem Maria das Graças Gardoni Almeida Engenheira Civil, DSc., Professora da Universidade Federal de Minas Gerais, Departamento de Engenharia de Transportes e Geotecnia, Belo Horizonte, MG. Ennio Marques Palmeira Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 5 – Contribuições recentes do Programa de PósGraduação em Geotecnia da Universidade de Brasília José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 6 – Estudos de materiais não convencionais para utilização em sub-base e base de pavimentos flexíveis Lilian Ribeiro de Rezende Engenheira Civil, DSc., Professora do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Cláudia Cristiane Lima do Vale Engenheira Civil, MSc., Comissão Permanente de Meio Ambiente, Companhia Urbanizadora da Nova Capital do Brasil. Giovane Batalione Engenheiro Civil, MSc., Gerente Educacional da Áreas Tecnológicas II do Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. João Carlos de Oliveira Engenheiro Civil, DSc., Professor do Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. Luciana Michelle Dellabianca Araújo Engenheira Civil, DSc., Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes – DNIT. xxix Capítulo 7 – Caracterização e uso de agregado laterítico em misturas asfálticas: uma contribuição para o desenvolvimento sustentável das regiões Norte e Nordeste do País Joel Carlos Moizinho Engenheiro Civil, DSc., Professor do Curso de Engenharia Civil da Universidade Federal de Roraima. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Márcio Muniz de Farias Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 8 – Erosão dos solos no Centro-Oeste Andrelisa Santos de Jesus Geógrafa, MSc., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Diógenes Mortari Engenheiro Civil, MSc., Superintendente de Recursos Hídricos da Agência Reguladora de Águas, Energia e Saneamento Básico do Distrito Federal-ADASA. Jairo Furtado Nogueira Engenheiro Civil, MSc., Geotec Consultoria e Projetos e Professor do Curso Técnico em Edificações do Instituto de Ensino Superior Planalto – IESPLAN. José Augusto Fázio Engenheiro Civil, MSc., Companhia Urbanizadora da Nova Capital do Brasil. Marisaides Cruz Goutte Lima Engenheira Civil, DSc., Consultora, SEMEN TP, na França. Roberto Márcio Macedo Santos Engenheiro Civil, MSc., Gerente de Hidrologia e Hidrogeologia da Companhia de Saneamento Ambiental do Distrito Federal – CAESB. xxx Capítulo 9 – Influência da biomineralização em algumas propriedades físico-mecânicas de um perfil de solo tropical Yamile Valencia González Engenheira Civil, DSc., Professora Auxiliar da Universidade Nacional da Colômbia. Claudia Maricela Gómez Muñetón Engenheira Civil, MSc., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Ângela Patrícia Santana Médica Veterinária, DSc., Professora do Departamento de Medicina Veterinária da Universidade de Brasília. Fernando Araripe Gonçalves Biólogo, PhD., Professor do Departamento de Biologia Celular da Universidade de Brasília. Heloisa Helena A. B. da Silva Geóloga, MSc., Furnas Centrais Elétricas S.A. Capítulo 10 - Sistema de barramentos para recuperação de ravinas e voçorocas Rideci Costa Farias Engenheiro Civil, DSc., Professor do Instituto de Ensino Superior Planalto e Sócio Proprietário da Reforsolo Engenharia Ltda. Carlos Antônio Bernardes Ferreira Engenheiro Civil, Sócio proprietário da Marka Construtora e Incorporadora Ltda. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Ennio Marques Palmeira Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. xxxi Capítulo 11 – Estruturas de infiltração de água para prevenção de erosões e inundações em áreas urbanas Cláudia Marcia Coutinho Gurjão Engenheira Civil, DSc., Professora do Curso de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Federal do Tocantins. Eufrosina Terezinha Leão Carvalho Engenheira Civil, MSc., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Joseleide Pereira da Silva Engenheira Civil, MSc., Doutoranda do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Gilson de Farias Neves Gitirana Junior Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás. José Camapum de Carvalho Engenheiro Civil, Bacharel em Administração, Bacharel em Direito, Doutor, Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Ricardo Silveira Bernardes Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Tecnologia Ambiental e Recursos Hídricos da Universidade de Brasília. Capítulo 12 – Mecânica dos solos não saturados – modelos numéricos e constitutivos Manoel Porfírio Cordão Neto Engenheiro Civil, Bacharel em Processamento de Dados, DSc., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Márcio Muniz de Farias Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 13 – Histórico de pesquisas em revestimentos asfálticos Luiz Guilherme Rodrigues de Mello Engenheiro Civil, DSc., Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes – DNIT. Márcio Muniz de Farias Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. xxxii Capítulo 14 – Fundações, contenções e ensaios de campo: experiência recente no Programa Pós-Graduação em Geotecnia da UnB Renato P. Cunha Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 15 – Campo experimental de fundações e ensaios de campo Neusa Maria Bezerra Mota Engenheira Civil, DSc., Diretora Técnica da BMS Engenharia Ltda. Renato P. Cunha Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Gérson Jacques Miranda dos Anjos Engenheiro Civil, DSc., Professor Adjunto da Faculdade de Engenharia Civil da Universidade Federal do Pará. Luiz Heleno Albuquerque Filho Engenheiro Civil, MSc., Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes – DNIT. Capítulo 16 – Fundações: experiência consolidada no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB Carlos Medeiros Silva Engenheiro Civil, Diretor Técnico da EMBRE Engenharia, Brasília, DF. Renato Pinto da Cunha Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Renato Cabral Guimarães Engenheiro Civil, MSc., Furnas Centrais Elétricas S.A. e Professor do Curso de Engenharia Civil da Universidade Estadual de Goiás. José Moura Soares Engenheiro Civil, DSc., Professor Adjunto I da Universidade Federal de Pernambuco, Campus do Agreste – Caruaru. Marcia Maria dos Anjos Mascarenha Engenheira Civil, DSc., Professora Adjunta do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Federal de Goiás. xxxiii Capítulo 17 – O estudo de radier estaqueado na UnB Maurício M. Sales Engenheiro Civil, DSc., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás. Renato P. Cunha Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 18 – Caracterização tecnológica de sistemas de contenção de rejeitos de minério de ferro construídos com a técnica do aterro hidráulico Luis Fernando Martins Ribeiro Engenheiro Civil, DSc., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. André Pacheco de Assis Engenheiro Civil, PhD., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Joice Gonçalves Milonas Engenheira Civil, MSc. Capítulo 19 – Grupo de pesquisa cartografia geotécnica e geoprocessamento Newton Moreira de Souza Engenheiro Civil, DSc., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Capítulo 20 – Desenvolvimento de modelagem tridimensional de subsuperfícies Carlos Petrônio Leite Da Silva Engenheiro Civil, MSc., Doutorando do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Newton Moreira de Souza Engenheiro Civil, DSc., Professor do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Sumário Capítulo 1 Contribuições recentes da UnB ao estudo dos geossintéticos 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 1 2 GEOSSINTÉTICOS EM REFORÇO DE SOLOS........................................... 1 3 INTERAÇÃO SOLO-GEOSSINTÉTICO....................................................... 9 4 GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS DE DRENAGEM E FILTRAÇÃO.......... 10 5 GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS DE PROTEÇÃO AMBIENTAL.............. 11 6 CONCLUSÕES................................................................................................... 12 AGRADECIMENTOS.......................................................................................... 13 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 14 Capítulo 2 Fluxo de líquidos em barreiras compostas de aterros sanitários: influência das características do GCL 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 17 2 GEOMEMBRANAS........................................................................................... 18 3 GEOCOMPOSTOS BENTONÍTICOS – GCLS............................................. 19 4 BARREIRAS COMPOSTAS DE GEOMEMBRANA E GCL........................ 19 4.1 Estudo experimental: fluxo de líquidos através de barreiras compostas gm-gcl........................................................................................ 21 4.1.1 Equipamento e materiais.................................................................... 21 4.1.2 Vazão na interface gm-gcl.................................................................. 24 4.1.3 Umidade das amostras....................................................................... 24 4.2 Solução analítica: cálculo da transmissibilidade da interface gm-gcl... 26 4.3 Repercussões em campo............................................................................. 28 xxxvi 5 Conclusões................................................................................................... 29 Agradecimentos.......................................................................................... 29 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 30 Capítulo 3 Estabilização de aterros sobre solos moles com geossintéticos: Pesquisas na UnB 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 33 2 ESTUDOS NUMÉRICOS.................................................................................. 36 3 ESTUDOS EXPERIMENTAIS.......................................................................... 42 4 COMENTÁRIOS FINAIS.................................................................................. 48 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 48 Capítulo 4 Contribuições para o estudo dos geossintéticos em sistemas de filtração e drenagem 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 51 2 COMPORTAMENTO DO SISTEMA SOLO-GEOTÊXTIL SOB CONDIÇÕES DE COLMATAÇÃO PARCIAL SEM CONSIDERAÇÃO DAS TENSÕES DE CONFINAMENTO......................................................... 52 3 COMPORTAMENTO DO SISTEMA SOLO-GEOTÊXTIL SOB TENSÃO NORMAL E CONDIÇÕES DE COLMATAÇÃO PARCIAL........................ 59 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 68 Capítulo 5 Contribuições recentes do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 71 2 SOLOS NÃO SATURADOS.............................................................................. 72 3 SOLOS TROPICAIS........................................................................................... 76 4 PAVIMENTAÇÃO.............................................................................................. 80 5 FUNDAÇÕES..................................................................................................... 85 6 BARRAGENS...................................................................................................... 89 7 MEIO AMBIENTE............................................................................................. 90 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 95 xxxvii Capítulo 6 Estudos de materiais não convencionais para utilização em sub-base e base de pavimentos flexíveis 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 101 2 RESÍDUOS DE PEDREIRAS............................................................................ 102 2.1 Expurgo......................................................................................................... 103 2.2 Fíler................................................................................................................ 108 3 ASFALTO FRESADO......................................................................................... 113 4 AGREGADO RECICLADO.............................................................................. 118 5 CONCLUSÕES................................................................................................... 129 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 130 Capítulo 7 Caracterização e uso de agregados graúdos lateríticos em misturas asfálticas: uma contribuição para o desenvolvimento sustentável das regiões Norte e Nordeste do País 1 Introdução.................................................................................................. 133 2 UTILIZAÇÃO DE AGREGADOS LATERÍTICOS EM OBRAS CIVIS...... 135 2.1 Distribuição de solos lateríticos no Brasil e no mundo........................... 135 2.2 Definição e classificação das lateritas........................................................ 136 2.3 Propriedades e uso de agregado laterítico em revestimento asfáltico... 137 2.4 Experiências com misturas betuminosas com emprego de laterita em campo e em laboratório.............................................................................. 139 2.5 Uso de agregado laterítico na construção civil......................................... 145 2.6 Pesquisa realizada com o uso de agregados lateríticos do Distrito Federal e do estado de Roraima em CBUQ.............................................. 146 3 CONCLUSÃO..................................................................................................... 151 AGRADECIMENTOS.......................................................................................... 151 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 151 Capítulo 8 Erosão dos solos 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 155 2 EROSÃO DOS SOLOS: NECESSIDADE DE ABORDAGEM INTERDISCIPLINAR....................................................................................... 156 3 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS EROSIVOS....................................... 158 4 GÊNESE E PROCESSO EVOLUTIVO............................................................ 159 xxxviii 4.1 Clima............................................................................................................. 160 4.2 Geologia........................................................................................................ 160 4.3 Geomorfologia............................................................................................. 162 4.4 Solo ............................................................................................................... 163 4.5 Cobertura Vegetal........................................................................................ 170 4.6 Uso do solo................................................................................................... 171 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 172 Capítulo 9 Influência da biomineralização em algumas propriedades físicomecânicas de um perfil de solo tropical 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 177 2 BIOMINERALIZAÇÃO.................................................................................... 178 3 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA ESTUDADA.............................................. 184 4 METODOLOGIA E RESULTADOS................................................................ 185 CONSIDERAÇÕES FINAIS................................................................................. 194 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 194 Capítulo 10 Sistema de barramentos para recuperação de ravinas e voçorocas 1 INTRODUÇÃO................................................................................................. 197 2 UTILIZAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS NO CONTROLE DE EROSÃO... 198 2.1 Geotêxteis no controle de erosão............................................................... 198 2.2 Sistema proposto.......................................................................................... 200 2.3 Funções dos elementos constitutivos do barramento.............................. 203 2.3.1 Elementos estruturais de madeira...................................................... 203 2.3.2 Tela metálica........................................................................................ 203 2.3.3 Geotêxtil............................................................................................... 203 2.3.4 Concepção de projeto para controle de erosão.................................. 204 2.3.5 Procedimento para instalação do geotêxtil....................................... 206 2.3.6 Procedimentos para execução de projeto de barramento................. 207 2.4 Exemplos de implantação do modelo em campo.................................... 208 2.4.1 Caso 1: localização da área de estudo............................................... 209 2.4.2 Considerações sobre o processo erosivo na região............................. 209 2.4.3 Detalhes dos procedimentos adotados para o projeto....................... 210 2.4.4. Instalação dos modelos em campo.................................................... 223 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................. 226 BIBLIOGRAFIA..................................................................................................... 227 xxxix Capítulo 11 Estruturas de infiltração de água para prevenção de erosões e inundações em áreas urbanas 1 Introdução.................................................................................................. 229 2 Estruturas de Infiltração................................................................ 230 2.1 Trincheiras.................................................................................................... 232 2.2 Colchões Drenantes..................................................................................... 233 2.3 Poços de infiltração...................................................................................... 233 3 Metodologia adotada na montagem das estruturas de infiltração........................................................................................... 235 3.1 Escolha do sistema e seleção das áreas...................................................... 235 3.2 Materiais usados nas Estruturas de Infiltração estudadas....................... 235 4 Ensaios realizados................................................................................. 238 4.1 Ensaios de Laboratório................................................................................ 238 4.2 Ensaios de Campo........................................................................................ 239 5 Resultados dos ensaios realizados............................................ 239 5.1 Ensaios de Laboratório................................................................................ 239 5.1.1 Solos provenientes da UnB (Trincheiras) e da UFRR (Colchão Drenante)............................................................................ 239 5.1.2. Solo proveniente de Goiânia (Poços de Infiltração)............. 245 5.2 Ensaios de Campo........................................................................................ 248 5.2.1 Solos provenientes da UnB (Trincheiras) e da UFRR (Colchão Drenante)............................................................................ 248 5.2.2 Solo proveniente de Goiânia (Poços de Infiltração).......................... 252 Referências Bibliográficas.................................................................. 253 Capítulo 12 Mecânica dos solos não saturados – modelos numéricos e constitutivos 1 HISTÓRICO....................................................................................................... 257 2 MOTIVAÇÃO DA LINHA DE PESQUISA.................................................... 259 3 METODOLOGIA DE ANÁLISE..................................................................... 261 4 FORMULAÇÃO BÁSICA................................................................................. 262 5 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA.................................................................. 262 6 EQUAÇÕES CONSTITUTIVAS...................................................................... 262 7 RELAÇÃO CONSTITUTIVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO-SUCÇÃO....... 263 8 RELAÇÃO CONSTITUTIVA VOLUME DE ÁGUA ARMAZENADO-SUCÇÃO-VOLUME DE VAZIOS.................................... 267 xl 9 RELAÇÃO CONSTITUTIVA PARA PERMEABILIDADE....................... 268 10 SOLUÇÃO ACOPLADA DO SISTEMA DE EQUAÇÕES POR ELEMENTOS FINITOS................................................................................. 269 11 CONDIÇÕES DE CONTORNO................................................................... 271 12 SIMULAÇÃO DE INFILTRAÇÃO DEVIDO À OCORRÊNCIA DE PRECIPITAÇÃO............................................................................................. 271 13 FASE DE CONSTRUÇÃO.............................................................................. 273 14 ELEMENTO DE SUPERFÍCIE LIVRE......................................................... 274 15 RESULTADOS................................................................................................. 275 16 EXEMPLO 1 – ESCORREGAMENTO DE TALUDE DEVIDO A CHUVAS.......................................................................................................... 275 17 ANÁLISE DOS RESULTADOS..................................................................... 276 18 EXEMPLO 2 – BARRAGENS DE TERRA 2-D........................................... 278 19 FASE DE CONSTRUÇÃO.............................................................................. 281 20 FASE PÓS-CONSTRUÇÃO........................................................................... 284 21 CONCLUSÕES................................................................................................ 291 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS................................................................... 291 Capítulo 13 Histórico de pesquisas em revestimentos asfálticos 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 293 2 HISTÓRIO DAS PESQUISAS REALIZADAS................................................ 293 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................. 306 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 306 Capítulo 14 Fundações, contenções e ensaios de campo: Experiência recente no Programa Pós-Graduação em Geotecnia da UnB RESUMO................................................................................................................ 309 1 IMPORTÂNCIA DO ASSUNTO..................................................................... 309 2 HISTÓRICO E ANTENCEDENTES............................................................... 314 3 INVESTIMENTOS DIRETOS E INDIRETOS............................................... 316 4 APOIO LOGÍSTICO.......................................................................................... 318 5 ESCOPO ATUAL E FUTURO DAS PESQUISAS.......................................... 320 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................. 322 REFERÊNCIAS...................................................................................................... 323 xli Capítulo 15 Campo experimental de fundações e ensaios de campo 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 325 2 LOCALIZAÇÃO E ÁREA DO CAMPO EXPERIMENTAL......................... 325 3 ORIGEM DO CAMPO EXPERIMENTAL..................................................... 326 4 PESQUISADORES COM ATIVIDADE NO CAMPO EXPERIMENTAL.. 326 5 CARACTERIZAÇÃO DO CAMPO EXPERIMENTAL................................ 327 5.1 Caracterização Fisiográfica......................................................................... 327 5.2 Climatologia ................................................................................................ 327 5.3. Caracterização Geológica.......................................................................... 328 5.4 Caracterização Geotécnica......................................................................... 329 5.4.1 Considerações Iniciais....................................................................... 329 5.4.2 Ensaios de Laboratório...................................................................... 331 5.4.2.1 Ensaios de Caracterização.................................................... 331 5.4.3 Ensaios de Campo.............................................................................. 332 5.4.3.1 Perfil de Umidade e Sucção das Campanhas Realizadas.. 332 5.4.3.2 Ensaios de Cone.................................................................... 335 5.4.3.3 Ensaios Pressiométricos....................................................... 335 5.4.3.4 Ensaios Dilatométricos......................................................... 337 5.4.3.5 Penetrômetro Dinâmico Leve.............................................. 339 5.4.3.6 Sondagem de Simples Reconhecimento com Medida de Torque................................................................. 341 6 TENDÊNCIAS FUTURAS................................................................................ 343 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 344 Capítulo 16 Fundações: Experiência consolidada no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB 1 Introdução................................................................................................. 347 2 Características do Solo Local...................................................... 348 3 Solo-Cimento como Solução.......................................................... 352 4 Fundações Profundas Isoladas .................................................... 357 4.1 Comportamento de estacas solicitadas verticalmente............................. 357 4.2 Comportamento de estacas solicitadas horizontalmente........................ 364 4.3 Interação solo-estrutura (ISE).................................................................... 365 4.4 Comparação entre resultados de provas de carga estática e ensaios dinâmicos..................................................................................................... 369 xlii 4.5 Contribuições para a análise dos resultados de provas de carga estáticas......................................................................................................... 370 4.6 Contribuição aos projetos em estacas hélice contínua............................ 371 5 Outros Aspectos Estudados para as Fundações Profundas.................................................................................................... 374 6 Conclusões................................................................................................... 376 Referências Bibliográficas.................................................................. 376 Capítulo 17 O estudo de radier estaqueado na UnB COMENTÁRIOS FINAIS..................................................................................... 390 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 390 Capítulo 18 Caracterização tecnológica de sistemas de contenção de rejeitos de minério de ferro construídos com a técnica do aterro hidráulico 1 INTRODUÇÃO.................................................................................................. 393 2 ATERROS HIDRÁULICOS.............................................................................. 397 3 ATERROS HIDRÁULICOS APLICADOS A BARRAGENS DE REJEITOS........................................................................................................... 400 4 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS ATERROS HIDRÁULICOS CONSTRUÍDOS COM REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO................... 403 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS.............................................................................. 420 6 AGRADECIMENTOS....................................................................................... 422 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS................................................................... 422 Capítulo 19 Grupo de pesquisa cartografia geotécnica e geoprocessamento 1 Introdução.................................................................................................. 427 2 O início das atividades......................................................................... 428 3 Cartografia Geotécnica do Distrito Federal.................... 429 4 Cartografia Geotécnica Municipal........................................... 432 5 Cartografia Geotécnica Urbana – Brasília.......................... 434 xliii 6 O futuro do grupo de Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento................................................................................ 436 Bibliografias.................................................................................................. 437 Capítulo 20 Desenvolvimento de modelagem tridimensional de subsuperfícies 1 Introdução.................................................................................................. 441 2 Metodologia.............................................................................................. 442 2.1 Fase 1 – Identificação ou Localização da Área de Trabalho................... 443 2.2 Fase 2 – Estruturar os dados em um banco de dados digital.................. 444 3 Fase 3 – Estabelecer um perfil de solo a partir dos dados geológicos para modelagem estratigráfica..... 446 4 Fase 4 – Obtenção da Base Cartográfica da área caso exista................................................................................................... 447 5 Fase 5 – Elaboração do Modelo numérico de terreno (MNT) – Spring 4.2....................................................................................... 448 6 Fase 6 – Obtenção e Organização dos Relatórios técnicos de sondagem – Parceria da Geotecnia/UnB com empresas de sondagem.............................................................. 449 7 Fase 7 – Sistema de banco de dados e cadastro dos furos (Microsoft Access 2003).......................................................... 451 8 Fase 8 – Acesso ao banco de dados pelo Spring 4.2 (2D)..... 452 9 Fase 9 – Digitalização dos Relatórios técnicos de sondagem no LogPlot 7 – Comunicação direta com o RockWorks 14......................................................................................... 452 10 Fase – Acesso ao banco de dados LogPlot 7 pelo RockWorks 14............................................................................................ 455 11 Fase – Definição de uma grade 3D baseada nas sondagens.................................................................................................. 456 12 Fase – Transcrição dos parâmetros para modelagem 3D (litologia, estratigrafia, N(SPT), Recuperação, NA, entre outros).................................................................................. 456 13 Fase – Nível d’água................................................................................. 457 14 Fase – Modelo das edificações em 3D......................................... 458 15 Fase – Escolha dos métodos de interpolação no RockWorks 14............................................................................................ 458 16 Fase – Apresentação de Resultados........................................... 459 17 Conclusões................................................................................................. 466 Bibliografia.................................................................................................... 468 Capítulo 1 Contribuições recentes da UnB ao estudo dos geossintéticos Ennio Marques Palmeira 1 INTRODUÇÃO Geossintéticos é a denominação genérica que se dá a materiais sintéticos, para aplicação em obras geotécnicas e de proteção ambiental. Tais materiais têm apresentado uma crescente utilização e aceitação nas mais variadas aplicações geotécnicas e geoambientais. Vários são os tipos e as formas dos geossintéticos, alguns dos quais são esquematicamente apresentados na Figura 1. Esses produtos podem ser utilizados com diferentes funções, tais como reforço, separação, barreira contra líquidos e gases, proteção, drenagem e filtração. Os geossintéticos podem prover soluções de engenharia alternativas em praticamente todas as áreas da engenharia geotécnica e da engenharia ambiental. A Figura 2 apresenta alguns exemplos de aplicações de geossintéticos. Nos últimos 20 anos, tem-se visto um crescente interesse pela utilização e pelo estudo dos geossintéticos no Brasil. Já são disponíveis metodologias de projeto e recomendações para ensaios e instalação desses materiais nas suas mais diversas formas de aplicação. Cresceu também o número de instituições de pesquisa que empreendem esforços no sentido de realizar estudos sobre comportamento dos geossintéticos, a exemplo do que ocorre há mais tempo em países do Primeiro Mundo. O presente trabalho visa apresentar a evolução dos estudos sobre geossintéticos na região Centro-Oeste, particularmente os trabalhos de pesquisa realizados na Universidade de Brasília (UnB) nos últimos anos. São apresentados resultados de pesquisas e uma avaliação sobre o potencial de utilização desses materiais na região. 2 GEOSSINTÉTICOS EM REFORÇO DE SOLOS Uma das formas mais comuns de utilização de geossintéticos é como reforço de maciços de terra. Nesse caso, tais materiais trabalham no interior da massa 2 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB de solo, conferindo-lhe maior resistência e menor compressibilidade. É comum a utilização de geotêxteis ou geogrelhas em obras de aterros sobre solos moles, aterros com taludes íngremes, estruturas de contenção e estradas não-pavimentadas sobre solos de baixa capacidade de suporte. A seguir, são apresentados resultados de pesquisas recentes sobre o assunto na UnB. Figura 1 – Esquemas de alguns geossintéticos típicos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 3 Figura 2 – Algumas aplicações de geossintéticos. As estradas não pavimentadas têm grande importância econômica para a maioria dos países do mundo e, particularmente, na região Centro-Oeste. Estima-se que mais de 80% dos bens primários da economia brasileira trafeguem, em algum momento, sobre tais tipos de vias. Quando construídas sobre solos de baixa capacidade de suporte, e devido às excessivas cargas de veículos pesados e usuais condições precárias de manutenção, costumam apresentar deformações excessivas. Com isso, o tráfego tem de ser interrompido nessas vias, o que pode provocar prejuízos econômicos apreciáveis. Entretanto, nesse tipo de aplicação, os geossintéticos podem ser utilizados na base do aterro, promovendo uma fronteira rugosa que aumenta a capacidade de carga do conjunto e diminui a sua contaminação por finos oriundos da fundação. À medida que o aterro e, consequentemente, o geossintético se deformam, aumenta o esforço de tração, o que também traz o benefício de dificultar futuras deformações pela ação do efeito membrana (ação da componente vertical do esforço de tração no geossintético). 4 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os primeiros estudos em modelos físicos sobre estadas não pavimentadas no país foram realizados na UnB, com o intuito de avaliar a influência da presença de geotêxtil na capacidade de carga de estradas não pavimentadas reforçadas com geotêxteis (Cunha, 1991). Pôde-se observar que, à medida que aumentavam as deformações da via, a capacidade de carga da estrada reforçada se tornava substancialmente maior que a da estrada sem reforço. Isso, na prática, significa que estradas reforçadas são capazes de resistir a maiores cargas com um número menor de manutenções periódicas. Observou-se também que os ângulos de espraiamento do carregamento da roda do veículo nos casos de estradas reforçadas são substancialmente maiores do que nos casos sem reforço, o que provoca uma melhor distribuição de tensões sobre o subleito no caso reforçado. Mais recentemente, ensaios em grande escala com simulação de carregamentos cíclicos foram realizados por Antunes (2008). As Figuras 3(a) e (b) apresentam o equipamento utilizado nessa pesquisa. Na Figura 4, são apresentados alguns resultados obtidos, em termos de número de ciclos de carga (correspondente a um eixo padrão de 80 kN) para se atingir um afundamento na superfície da estrada igual a 25mm. Nessa figura, são apresentados resultados para a situação sem reforço e para a situação em que se utilizou uma geogrelha como reforço. Pode-se observar que a presença do reforço aumentou em nove vezes no número de ciclos de carga de necessário para se atingir a rodeira especificada, em relação ao caso sem reforço. Outros resultados obtidos pela instrumentação instalada (tensões totais, extensômetros, etc.) também evidenciaram a contribuição da presença da camada de reforço para um melhor desempenho da estrada reforçada. Fernandes (2005) realizou ensaios em verdadeira grandeza utilizando geossintéticos como reforço de lastros ferroviários alternativos em ferrovia da companhia Vale do Rio Doce. Os resultados mostraram a viabilidade de utilização de materiais alternativos reforçados nesse tipo de obra. Rezende (2003) monitorou seções experimentais de pavimentos rodoviários utilizando materiais alternativos e geossintéticos. Ao contrário das estradas não pavimentadas, onde a sobrecarga mais importante se deve às pressões oriundas dos pneus do veículo, nos aterros mais altos a sobrecarga instabilizante é usualmente o próprio peso do aterro. A presença do elemento de reforço na base ou distribuído ao longo da altura do aterro provoca o aparecimento de esforços estabilizantes devido aos esforços de tração mobilizados na camada de reforço. Análises por equilíbrio limite conduzidas por Silva (1996), utilizando programas computacionais desenvolvidos na UnB, mostraram que a presença do elemento de reforço faz com que o aterro reforçado possa ser construído mais rapidamente do que o sem reforço, ou com taludes mais íngremes ou sem bermas de equilíbrio, o que pode provocar uma substancial redução no consumo de material de aterro e, consequentemente, de custos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 5 (a) Esquema do equipamento (b) Vista ao final de um ensaio – porta lateral aberta Figura 3 – Equipamento de grande porte para ensaios em pavimentos rodoviários (Antunes, 2008). Figura 4 – Resultados de ensaios em pavimentos com e sem reforço geossintético (Antunes, 2008). 6 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Observações de obras reais instrumentadas (Fahel, 2003) e análises por elementos finitos (Macedo, 2002; Araujo, 2004) mostraram que, além de melhorar as condições de estabilidade, a presença de reforço no aterro pode reduzir os deslocamentos horizontais do solo de fundação, com repercussão positiva em obras vizinhas existentes. A Figura 5 (Macedo, 2002) mostra os deslocamentos horizontais máximos, previstos por elementos finitos, para uma estaca de fundação de uma ponte próximo a um aterro (encontro de ponte) com 5 m de altura, seis meses após a sua construção, em função da rigidez à tração (J) do reforço (para a situação sem reforço, J = 0, não seria possível a construção do aterro). Pode-se observar que reduções significativas no deslocamento máximo na estaca podem ser obtidas, dependendo do número de camadas de reforço, da rigidez à tração do elemento de reforço e das condições do problema. Os estudos realizados mostraram também o benefício da presença de camada de reforço em combinação com estacas ou drenos verticais na redução de deslocamentos do solo de fundação e redução de deslocamentos e momentos fletores nas estacas de fundação da estrutura vizinha (Macedo, 2002). Figura 5 – Deslocamento horizontal máximo de uma estaca isolada próxima a um aterro sobre solo mole (Macedo, 2002). Geossintéticos, particularmente geotêxteis tecidos, podem ser também utilizados como camisa de colunas granulares (areia ou brita), na estabilização de aterros sobre solos compressíveis. A presença da camisa enrijece e aumenta a capacidade de carga da coluna granular. A Figura 6(a) apresenta uma vista geral de provas de carga realizadas em colunas granulares (areia e brita) com e sem encamisamento (geotêxtil e geogrelha) realizadas no Campo Experimental de Fundações do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB. As colunas foram instrumentadas com extensômetros elétricos ao longo do seu comprimento, além da instrumentação tradicional nesse tipo de ensaio. Após atingir-se, no topo da coluna, determinada carga, esta era inundada, de forma a se observar o comportamento de colunas com e sem camisa sob o efeito do colapso do solo Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 7 vizinho. A Figura 6(b) apresenta resultados de provas de carga em colunas de areia com e sem camisa de geotêxtil tecido, onde se pode observar o substancial ganho de capacidade de carga devido à presença da camisa. (a) Vista da prova de carga em coluna granular (b) Resultados obtidos em provas de carga de colunas de areia com e sem camisa de geotêxtil tecido Figura 6 – Provas de carga em colunas granulares com e sem encamisamento com geotêxtil (Araujo, 2009). Tupa (2006) realizou ensaios utilizando reforços geossintéticos para minimizar os efeitos de explosões de tubos enterrados pressurizados. Os resultados dos ensaios mostraram que a presença do reforço pode minimizar significativamente as consequências de explosões desses tubos. A Figura 7 mostra um exemplo de explosão de tubulação enterrada em um dos ensaios realizados. Nessa figura, a linha branca mostra o contorno original do aterro. Andrade (2009) 8 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB investigou a proteção de tubulações enterradas com camadas de geossintéticos contra danos provocados pela cravação de elementos contundentes no terreno. Figura 7 – Explosão de tubo pressurizado enterrado. Ensaios em modelos físicos foram também utilizados no programa de pesquisas sobre geossintéticos da UnB nos primeiros estudos sobre o comportamento de estruturas de contenção reforçadas com geossintéticos construídas sobre solos resistentes e sobre solos de baixa capacidade de suporte (Lanz, 1992; Monte, 1996). O solo utilizado nos modelos foi areia, e o elemento de reforço foi um modelo de um geotêxtil não tecido. Carregamentos uniformemente distribuídos e localizados foram aplicados na superfície do terrapleno. No caso da presença de solo mole na fundação do aterro reforçado, tal solo foi simulado por uma camada de caulim saturado. Pressões e deslocamentos no maciço foram medidas por meio da instrumentação instalada. Os resultados obtidos evidenciaram a influência da presença do reforço na estabilização da estrutura e melhores distribuições de deformações e tensões nos maciços (aterro reforçado e fundação). Análises numéricas por elementos finitos (Dellabianca, 1999) também permitiram observar a influência da rigidez do solo de fundação no comportamento de estruturas de contenção em solo reforçado com geossintéticos. Os resultados obtidos nas análises numéricas foram consistentes com as observações nos estudos com modelos físicos. Pereira (2004) também realizou estudos numéricos visando verificar o comportamento de estruturas próximas a muros reforçados. Foram variadas as distâncias da estrutura à face do muro, o número de camadas de reforço no maciço reforçado, a rigidez à tração dos reforços, dentre outras variáveis. Na presente data, pesquisas estão sendo realizadas no sentido de investigar a utilização de resíduos de construção reciclados em muros reforçados com geossintéticos (Santos, 2009). Estruturas de contenção em verdadeira grandeza, instrumentadas, serão utilizadas nessa pesquisa, que poderá viabilizar uma melhor utilização de resíduos de construção e diminuir a influência deletéria desses resíduos no meio ambiente. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 9 3 INTERAÇÃO SOLO-GEOSSINTÉTICO As pesquisas sobre interação entre solos e geossintéticos têm abordado os problemas de atrito de interface entre diversos tipos de solos e geossintéticos, bem como o comportamento à tração de geotêxteis não tecidos confinados. Equipamentos para ensaios de cisalhamento direto e de tração confinada de grandes dimensões foram construídos na UnB para a realização desses ensaios. Os ensaios de interface envolveram a medição de adesões e ângulos de atrito entre solos (incluindo solos finos) e geotêxteis (tecidos e não tecidos) ou geomembranas. Como são formados por um arranjo aleatório de fios, os geotêxteis não tecidos tendem a se deformar bastante quando ensaiados à tração em isolamento. Entretanto, quando confinados no interior da massa de solo, os fios apresentam maior dificuldade para serem esticados, o que provoca um substancial aumento na rigidez à tração do geotêxtil sob tais condições. Equipamentos foram desenvolvidos para o estudo do comportamento de geotêxteis sob confinamento (Palmeira, 1989) e ensaios realizados sob diferentes condições, incluindo ensaios de tração confinada em amostras de geotêxteis danificadas (Mendes, 2006). Os resultados evidenciaram a influência do confinamento no comportamento mecânico de geotêxteis não tecidos e redução da influência do dano mecânico no geotêxtil. Resultados de ensaios de rampa de grandes dimensões (Figura 8) têm permitido também a investigação e medição de parâmetros de resistência de interface sob baixas tensões. Ensaios com diferentes geossintéticos e solos, ensaios em interfaces entre diferentes geossintéticos (geotêxtil-geomembrana) e ensaios de resistência interna de geocompostos argilosos têm sido realizados (Lima Júnior, 2000; Melo, 2001; Viana, 2007; Viana, 2008, por exemplo). Figura 8 – Ensaio de rampa de grandes dimensões. 10 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4 GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS DE DRENAGEM E FILTRAÇÃO Os geotêxteis são também muito utilizados como materiais dreno-filtrantes em obras geotécnicas, em substituição a materiais naturais, como areia e brita. Assim como no caso dos drenos granulares, os geotêxteis têm de satisfazer certas condições para que possam ser considerados filtros eficientes para os solos vizinhos. Tais condições são geralmente expressas em termos de comparações entre grandezas granulométricas do solo em questão e a abertura de filtração do geotêxtil. Esse valor representa o diâmetro do maior grão de solo capaz de atravessar a manta geotêxtil. Os ensaios de permeabilidade e filtração com geotêxteis são usualmente efetuados sem aplicação de tensões verticais. Entretanto, na maioria das situações reais, os geotêxteis estarão submetidos a certa pressão que, dependendo do tipo de obra, pode ser bastante elevada. Em vista disso, as atividades de pesquisa sobre drenagem e filtração com geossintéticos na UnB têm se concentrado em estudar a influência da pressão no comportamento dreno-filtrante de geossintéticos, bem como a influência de aspectos construtivos no desempenho de tais materiais (Gardoni, 2000, por exemplo). A Figura 9(a) apresenta um sistema para ensaios de filtração com geotêxteis desenvolvido na UnB (Gardoni, 2000), em utilização em pesquisas em andamento. A Figura 9(b) mostra resultados de microscopia eletrônica em amostras de filtros geotêxteis exumados de obras no Distrito Federal. Até a presente data, têm-se observado bom comportamento dos filtros geotêxteis ensaiados e bom estado operacional dos drenos geotêxteis investigados. Beirigo (2005) realizou ensaios de filtração sob elevadas tensões verticais utilizando rejeitos de mineração e geotêxteis não tecidos. (a) Sistema para ensaios de filtração (b) Imagem de geotêxtil exumado de dreno de estrada Figura 9 – Comportamento de filtros geotêxteis. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 11 5 GEOSSINTÉTICOS EM OBRAS DE PROTEÇÃO AMBIENTAL Os geossintéticos vêm cada vez mais sendo utilizados em obras de proteção ao meio ambiente em substituição a materiais naturais ou a estes combinados. Ensaios de interação entre lixo e chorume e diferentes tipos de geossintéticos foram executados em ensaios em escala real (Junqueira, 2000; Silva, 2004) e em laboratório (Colmanetti, 2000; Remigio, 2006), para investigar o comportamento desses materiais em obras de disposição de lixo. A Figura 10(a) apresenta célula experimental de lixo executada com sistema de barreira de fundo e sistema de drenagem consistindo de pneus e filtro geotêxtil. A Figura 10(b) mostra que os sistemas de drenagem sintético e natural (colchão de brita) se comportaram de modo similar ao longo do tempo. A utilização de outros materiais alternativos de drenagem (garrafas PET prensadas, entulho reciclado e pneu picado) associados a filtros geotêxteis também tem sido investigada como parte das atividades de pesquisa. (a) Célula experimental de lixo instrumentada – Volume de chorume (L) (b) Vazão de chorume de células de lixo vs. tempo Figura 10 – Resultados de células de lixo experimentais. 12 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Remigio (2006) realizou ensaios de colmatação biológica em filtros geotêxteis não tecidos submetidos ao fluxo de chorume. A Figura 11 apresenta imagem de filmes de bactérias em um dos geotêxteis investigados. Ensaios de danos mecânicos e degradação de geossintéticos em contato com diferentes substâncias agressivas foram realizados por Matheus (2002) e Silva (2007). Os geotêxteis podem também ser utilizados como barreiras de sedimentos para evitar ou minimizar as consequências de processos erosivos, que são bastante comuns na região Centro-Oeste. As Figuras 12(a) e (b) (Farias, 2005) mostram ensaios de grande porte em barreiras de sedimentos e monitoramento de obras reais de baixo custo para combate a processos erosivos na região. Figura 11 – Filmes de bactérias em geotêxtil não tecido. 6 CONCLUSÕES O presente trabalho apresentou e discutiu alguns resultados de pesquisas recentes realizadas na Universidade de Brasília (UnB), os quais enfatizam a importância dos geossintéticos como alternativa a materiais de construção tradicionais em obras geotécnicas e de proteção ambiental. Os geossintéticos podem trazer reduções de prazos de execução e de custos significativas nessas obras. Sem dúvida, tais materiais têm um grande potencial de utilização no país, particularmente em obras de infraestrutura e de proteção ambiental. A experiência e as pesquisas desenvolvidas na UnB sobre geossintéticos já resultou em diversas premiações nacionais e internacionais. Além disso, até a presente data, foram titulados 32 mestres e 14 doutores no assunto, vários deles hoje difundindo e aplicando seus conhecimentos em instituições de ensino (UnB, UFG, UEG, UFENSA, por exemplo) e em empresas (ANA, DNIT, AGETOP, DERDF, Golder Associates, por exemplo) no país e no exterior Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 13 É importante frisar que, assim como os materiais de construção convencionais em engenharia civil, os geossintéticos devem ser utilizados de modo consciente, obedecendo-se a critérios de projeto e especificação apropriados. Deve-se verificar a sua aplicabilidade ao problema em questão e dimensioná-lo de modo conveniente para uma aplicação bem-sucedida. (a) Ensaios de grandes dimensões (b) Barreiras de sedimentos em erosão próxima a Brasília Figura 12 – Geossintéticos em controle de erosões. AGRADECIMENTOS Vários dos resultados apresentados são oriundos de dissertações e teses de alunos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB, a quem o autor agradece. Agradece também a Universidade de Brasília, CNPq, CAPES, Finatec/UnB, FAP-DF e às empresas de geossintéticos pela colaboração ao longo dos anos. O presente trabalho é republicação, com pequenas alterações, de trabalho apresentado no GeoCentro 2009. O autor agradece aos organizadores do evento a autorização para republicação. 14 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB REFERÊNCIAS Andrade, H.K.P.A. (2009). Proteção de Tubulações Enterradas contra Danos com a Utilização de Reforço Geossintético. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Antunes, L.G. (2008). Reforço de Pavimentos Rodoviários com Geossintéticos. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Araújo, G.L.S. (2004). Retroanálise de Encontros de Pontes Reforçados Sobre Solos Moles. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Araújo, G.L.S. (2009). Comportamento de Estacas Granulares Encamisadas por Geossintéticos. Tese de DSc., Universidade de Brasília (em andamento). Beirigo, E.A. (2005). Comportamento Filtro-Drenante de Geotêxteis em Barragens de Rejeitos de Mineração. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Colmanetti, J.P. (2000). Comportamento de Filtros Geotêxteis em Sistemas de Drenagem de Resíduos Sólidos Municipais. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília, 154 p. Cunha, M.G. (1991). Estudo do Comportamento de Estradas Vicinais Reforçadas com Geotêxtil Através de Modelos Físicos. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília, DF, Brasil. Dellabianca, L.M. (1999). Análise Numérica de Estruturas de Arrimo Reforçadas com Geossintéticos, Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Fahel, A.R.S. (2003) Desempenho de Encontros de Pontes Reforçados Com Geogrelhas Sobre Solos Moles. Tese de DSc., Universidade de Brasília. Farias, R.J. (2005). Utilização de Geossintéticos em Sistemas de Controle de Erosões. Tese de DSc., Universidade de Brasília. Fernandes, G. (2005). Comportamento de Estruturas de Pavimentos Ferroviários com Utilização de Solos Finos e Resíduos de Mineração de Ferro Associados a Geossintéticos. Tese DSc., Universidade de Brasília. Gardoni, M.G. (2000). Comportamento Dreno-Filtrante de Geossintéticos sob Pressão. Tese de DSc., Universidade de Brasília. Junqueira, F.F. (2000). Análise do Comportamento de Resíduos Urbanos e Sistemas Dreno-Filtrantes em Diferentes Escalas com Referência ao Aterro do Jóquei Clube-DF. Tese de DSc., Universidade de Brasília. Lanz, D. (1992). Estudo da Deformabilidade e Tensões Em Estruturas de Arrimo Reforçadas Com Geotêxteis. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Lima Júnior, N.R. (2000). Estudo da Interação Solo-Geossintético em Obras de Proteção Ambiental com o Uso do Equipamento de Plano Inclinado. Dissertação MSc., Universidade de Brasília. Macedo, I.L. (2002). Análise Numérica de Aterros de Encontros de Pontes Reforçados com Geossintéticos Sobre Solos Moles. Dissertação de MSc, Universidade de Brasília, 194 p. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 15 Matheus, E. (2002). Efeitos do Envelhecimento Acelerado e do Dano Mecânico Induzido no Desempenho e Durabilidade de Alguns Geossintéticos. Tese DSc., Universidade de Brasília, 323p. Melo, L.G.R. (2001). Estudo da Interação Solo-Geossintético em Taludes de Obras de Disposição de Resíduos. Dissertação de MSc. Universidade de Brasília. Mendes, M.J.A. (2006). Comportamento Carga-Alongamento de Geotêxteis Não Tecidos Submetidos à Tração Confinada, Dissertação MSc., Universidade de Brasília. Monte, L.M. (1996). Estudo de Mecanismos de Deformação e Ruptura de Aterros Reforçados Sobre Solos de Baixa Capacidade de Carga. Dissertação de Mestrado, Universidade de Brasília, DF, Brasil. Palmeira, E.M. (1989). Equipamento para Ensaios de Tração Confinada em Geotêxteis. Relatório de Pesquisa, Universidade de Brasília, DF, Brasil. Pereira, U.A. (2004). Deformabilidade de Estruturas em Solos Reforçados: Influência da Proximidade de Construções Vizinhas. Dissertação de MSc., Universidade de Brasília. Remigio, A.F.N. (2006). Estudo da Colmatação Biológica de Sistemas Filtro-Drenantes Sintéticos de Obras de Disposição de Resíduos Sólidos Domésticos Sob Condições Anaeróbias. Tese DSc., Universidade de Brasília. Rezende, L.R. (2003). Estudo do Comportamento de Materiais Alternativos Utilizados em Estruturas de Pavimentos Flexíveis. Tese de DSc., Universidade de Brasília. Santos, E. C.G. (2009) Utilização de Resíduos Reciclados de Construção Civil em Muros Reforçados com Geossintéticos. Tese de DSc Universidade de Brasília (em andamento). Silva, A.R.L. (1996). Estabilidade de Aterros Sobre Solos Moles Reforçados com Geossintéticos. Dissertação de Mestrado, Universidade de Brasília, DF, Brasil. Silva, A.R.L. (2004). Estudo do Comportamento de Sistemas Dreno-Filtrantes em Diferentes Escalas em Sistemas de Drenagem de Aterros Sanitários. Tese de DSc., Universidade de Brasília, 323 p. Silva, M.T.N. (2007). Análise da Degradação de Alguns Geossintéticos em Contato com Fluidos Agressivos. Tese DSc., Universidade de Brasília. Tupa, N. (2006). Utilização de Geossintéticos para Proteção de Tubulações Pressurizadas Enterradas. Tese DSc. Universidade de Brasília. Viana, H.N.L. (2007). Estudo da Estabilidade e Condutividade Hidráulica de Sistemas de Revestimento Convencionais e Alternativos para Obras de Disposição de Resíduos. Tese DSc., Universidade de Brasília. Viana, P.M.F. (2008). Avaliação da Resistência Interna e de Interface de Sistemas Compostos por Geossintéticos Utilizados em Barreiras Impermeabilizantes. Relatório Interno de Pós-Doutorado, UEG/UnB. Capítulo 2 Fluxo de líquidos em barreiras compostas de aterros sanitários: influência das características do GCL Marianna Jacominy de Amorim Mendes Nathalie Touze-Foltz Ennio Marques Palmeira 1 INTRODUÇÃO Os geossintéticos vêm sendo muito usados em obras geotécnicas e em aterros sanitários, desempenhando diferentes funções. Geogrelhas são usadas para o reforço dos taludes. Georredes desempenham função de colchão drenante. Geotubos atuam na coleta de líquidos efluentes. Geotêxteis podem funcionar como filtros, proteção ou separação de materiais. Geomembranas e geocompostos argilosos atuam como barreira de líquidos, gases e vapores. Essas e outras funções são mostradas na Figura 1. A disposição adequada de resíduos em aterros sanitários visa evitar a contaminação do solo e da atmosfera com produtos da decomposição do lixo, minimizando os impactos ambientais e/ou prejuízos à saúde que seriam causados por uma disposição inadequada desses resíduos. A impermeabilização dos aterros sanitários é, portanto, um requisito primordial para o cumprimento de um dos seus objetivos principais: conter os resíduos evitando tanto quanto possível a contaminação do meio ambiente por transporte advectivo ou difusivo dos contaminantes. Portanto, o fundo, os taludes laterais e a cobertura de aterros sanitários devem ser revestidos com material de baixa permeabilidade. Tradicionalmente, usa-se a argila compactada como barreira de fluidos em obras geotécnicas, visto que ela geralmente apresenta valores relativamente baixos de permeabilidade. No entanto, o uso de geossintéticos, como geomembranas e GCLs, tem sido crescente nessas obras devido a vantagens como: melhor controle de qualidade dos materiais, facilidade e rapidez de instalação (inclusive menos dependente das condições climáticas se comparada à compactação de argila), aumento do volume útil dentro das células de disposição de resíduos, visto que a espessura desses materiais é menor se comparada à espessura da argila compactada, entre outras. Os geossintéticos que cumprem a função de barreira de líquidos e gases são as geomembranas (GM) e os geocompostos bentoníticos (GCLs). Ambos apresentam baixíssima permeabilidade e pequena espessura quando comparados às camadas de argila compactada. 18 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 1 – Múltiplas aplicações de geossintéticos em aterros sanitários (Zornberg & Christopher, 1999). 2 GEOMEMBRANAS Segundo a definição dada pela International Geosynthetics Society, geomembranas são mantas contínuas e flexíveis constituídas de um ou mais materiais sintéticos. Elas possuem baixíssima permeabilidade e são usadas como barreiras para fluidos, gases ou vapores (Bathurst, 2009). Em engenharia geotécnica, a pequena espessura das geomembranas é útil na redução de volume que seria ocupado por uma camada de argila compactada instalada para a mesma finalidade. Sua utilização implica também na redução do tempo de construção da obra, visto que a sua instalação é mais rápida do que a compactação de solo e depende menos das condições climáticas. No entanto, a pequena espessura associada aos métodos de instalação e aos materiais geralmente em contato com geomembranas, aumenta sua susceptibilidade a danos mecânicos. Mesmo em obras onde são empregados o controle de qualidade da construção (CQC) e a garantia de qualidade da construção (CQA), as geomembranas estão sujeitas aos danos mecânicos (Bouazza et al., 2002), o que pode prejudicar seu desempenho como barreira contra o vazamento de fluidos. Vazamentos significativos através de danos na geomembrana podem ser observados se esta estiver instalada sobre um solo permeável e sujeita a uma carga hidráulica. O vazamento é menor caso o solo subjacente apresente baixo coeficiente de permeabilidade (Giroud & Bonaparte 1989). Segundo esses autores, o interesse da associação de uma geomembrana sobrepondo um solo de baixa permeabilidade, formando uma barreira composta, pode ser resumida da Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 19 seguinte forma: (i) a geomembrana reduz o vazamento enquanto o solo aumenta o tempo necessário para atravessar a barreira composta; (ii) o solo de baixa permeabilidade reduz a vazão que atravessa o dano da geomembrana. 3 GEOCOMPOSTOS BENTONÍTICOS – GCLS GCLs são comumente usados complementando a camada de argila compactada (CCL), não em substituição à argila (Guyonnet et al., 2009; MEEDDAT, 2009), mas como reforço à CCL, como mostra a Figura 2. A camada de atenuação, a CCL e o GCL compõem a barreira passiva de barreiras compostas em aterros sanitários (Guyonnet et al., 2009; Touze-Foltz et al., 2008), com uma geomembrana atuando como barreira ativa. Segundo a International Geosynthetics Society, os GCLs são geocompostos fabricados com um núcleo de bentonita, geralmente envelopado entre geotêxteis de topo e base ou ligadas por adesivamento a uma geomembrana ou a uma única manta de geotêxtil. Os geotêxteis que compõem os GCLs geralmente são costurados ou agulhados através do núcleo argiloso, para aumentar a resistência interna do produto ao cisalhamento (Bathurst, 2009). Vários tipos de bentonita podem compor o núcleo dos GCLs. As bentonitas podem ser em pó ou granulares; quanto à sua natureza, podem ser sódicas ou cálcicas, dependendo do cátion mais presente entre os silicatos da bentonita. Quando hidratados e confinados, os GCLs desempenham funções de barreira contra vazamento de gases ou líquidos, com seu desempenho dependendo, na maioria dos casos, da condutividade hidráulica da bentonita (Bouazza, 2002). Figura 2 – Recomendações do uso de GCLs em barreiras na França (modificado – MEEDDAT, 2009). 4 BARREIRAS COMPOSTAS DE GEOMEMBRANA E GCL A variedade de produtos disponíveis no mercado desperta o interesse em estudar a influência de suas características na eficiência das barreiras compostas 20 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB contra vazamento de líquidos ou gases em obras geotécnicas. Em ensaios de transmissibilidade da interface entre uma geomembrana danificada sobreposta a diferentes tipos de GCLs, alguns autores, como Harpur et al. (1993), Barroso et al. (2006) e Mendes et al. (2009b), estudaram a influência das características dos geossintéticos na eficiência de barreiras compostas. Harpur et al. (1993) estudaram 5 GCLs diferentes, variando os tipos de geossintéticos que compunham os GCLs (geomembrana ou geotêxteis tecidos ou não tecidos), o tipo de ligação do GCL (costura, agulhagem ou colagem) e também o tipo de bentonita (granulada ou em pó). Seus resultados mostraram que os menores valores de transmissibilidade de interface foram obtidos com GCLs compostos por bentonita granular colada a uma geomembrana, uma vez que nenhum geotêxtil (de cobertura do GCL) estava em contato com a geomembrana danificada. Comparações entre GCLs compostos de bentonita granular ou em pó mostraram melhor desempenho da bentonita em pó. O único GCL estudado por esses autores que apresentava um geotêxtil não tecido na cobertura (portanto em contato com a geomembrana danificada) apresentou valores de transmissibilidade ainda comparáveis com os outros materiais estudados. Uma vez que a geomembrana danificada estava em contato direto com um geotêxtil não tecido (material geralmente drenante), maior transmissibilidade seria esperada, o que não ocorreu devido à impregnação da bentonita em pó nesse geotêxtil. Como observado por Palmeira & Gardoni (2000), Gardoni & Palmeira (2002) e Palmeira & Gardoni (2002), a pressão confinante e a impregnação dos geotêxteis podem influenciar a permissividade e a transmissibilidade do geotêxtil de cobertura do GCL. Barroso et al. (2006) também estudaram a influência das características dos GCLs na transmissibilidade da interface GM-GCL. Os resultados sugerem que o tipo de bentonita, granular ou em pó, influencia pouco na vazão através da barreira composta, contrariando as observações feitas por Harpur et al. (1993). Com relação à natureza da bentonita (sódica ou cálcica), Guyonnet et al. (2009) verificaram que GCLs compostos por bentonita cálcica natural apresentam condutividades hidráulicas maiores que GCLs compostos de bentonitas cálcica ativada ou sódica natural. No entanto, nenhum estudo havia sido feito para verificar a influência da natureza da bentonita na transmissibilidade da interface entre a geomembrana e o GCL. Segundo Egloffstein (1997), nas bentonitas cálcicas a expansão é devida à hidratação dos cátions entre as camadas de silicato. Já as bentonitas sódicas apresentam maior expansão uma vez que a expansão osmótica também ocorre, o que causa a delaminação dos silicatos, aumentando a distância entre eles, como mostra a Figura 3. Baseado na influência da natureza da bentonita na condutividade hidráulica do GCL, despertou-se o interesse em estudar se natureza da bentonita pode também influenciar a transmissibilidade da interface GM-GCL (Mendes et al., 2009, 2009b) como será descrito nos itens a seguir. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 21 Figura 3 – Concepção da microestrutura e permeabilidade da argila: (a) minerais de argila muito bem dispersos, isto é. bentonita sódica; (b) argila agregada devido à maior atração entre os cristais, isto é. bentonita cálcica (modificado – Hasenpatt 1988). 4.1 ESTUDO EXPERIMENTAL: FLUXO DE LÍQUIDOS ATRAVÉS DE BARREIRAS COMPOSTAS GM-GCL 4.1.1 EQUIPAMENTO E MATERIAIS A influência do tipo de GCL no fluxo de água através do dano na geomembrana de uma barreira composta foi estudada por meio de ensaios de transmissibilidade no equipamento apresentado na Figura 4, que foi projetado para medir a vazão através de uma barreira composta por uma geomembrana (barreira ativa) danificada com um furo circular, sobrejacente a um GCL posicionado sobre a argila compactada (CCL), que juntos formam a barreira passiva. O equipamento foi previamente descrito por Touze-Foltz (2002), Touze-Foltz et al. (2002), Cartaud & Touze-Foltz (2004) e Barroso et al. (2006). Ele consiste em uma célula bipartida de acrílico com diâmetro interno de 200 mm, um cilindro de base sob a CCL que serve como pistão para aplicação da pressão confinante e uma camada granular que simula uma camada drenante sobrejacente à geomembrana. Uma camada de argila é compactada no cilindro inferior com a face superior em contato com uma placa metálica rígida, garantindo uma superfície lisa em contato com o GCL, que é também acomodado dentro do cilindro inferior. A amostra de geomembrana com um dano circular sobrepõe o GCL. O cilindro superior acomoda a camada granular que se posiciona sobre a geomembrana. Os cilindros são fixados um ao outro por parafusos, e o conjunto é posicionado em uma prensa para aplicação de pressão confinante de 50 kPa. O cilindro superior é conectado a um reservatório de água destilada que alimenta a célula durante as primeiras horas de 22 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ensaio, quando vazões relativamente altas são medidas. Quando a vazão diminui, o reservatório é substituído por um vaso de Mariotte. Ambos alimentam a célula, mantendo constante a carga hidráulica igual a 30 cm. O solo que compunha a CCL nos ensaios era proveniente de um aterro sanitário, a oeste de Portugal, e apresentava 73,6 % de finos, sendo 40,5 % de argila. Era compactado com umidade 2 a 4% acima da umidade ótima determinada pelo ensaio Proctor Modificado. A Tabela 1 sumaria as principais características desse solo. Os GCLs usados eram provenientes de dois fabricantes diferentes (processos de ligação diferentes, como mostra a Figura 5) com bentonitas sódica natural ou cálcica natural. A Tabela 2 sumaria as principais características desses GCLs e dos materiais que os compõem. A geomembrana usada nos ensaios era de Polietileno de Alta Densidade (PEAD) lisa com 2 mm de espessura submetida a um dano circular 4 mm de diâmetro no seu centro. Figura 4 – Equipamento para medida da vazão na interface de barreiras compostas (Mendes et al., 2009). Tabela 1 – Características do solo da barreira mineral dos ensaios de transmissibilidade de interface. Limites de Atterberg Proctor Modificado LL (%) LP (%) IP (%) w opt (%) γd max (%) 54,2 23,7 30,5 13,6 19,1 K (m/s) 8 x 10-11 23 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 5 – Geossintéticos bentoníticos (GCLs) testados. (a) Fabricante 1: costurado; (b) Fabricante 2: agulhado. Tabela 2 – Principais características dos GCLs testados (Mendes et al., 2009b). Material 1.S 1.C 2.S 2.C 7,0 11,7 7,7 8,4 5410 10590 7400 5730 Condutividade Hidráulica AFNOR (2005) (m/s) 3,2 x 10-11 6,9 x 10-11 1,6 x 10-10 5,8 x 10-11 Processo de manufatura Costuras a Costuras a Agulhagem Agulhagem cada 4 cm cada 4 cm Espessura sob 10 kPa (mm) Gramatura (g/m2) GCL Código do geotêxtil Geotêxtil da Material cobertura Gramatura (g/m²) Bentonita Bentonita GTX 1 GTX 1 GTX 2 GTX 2 PP, W PP, W PP, W PP, W 110 110 100 100 Na Natural Ca Natural Na Natural Ca Natural em pó em pó granulada granulada Massa por superfície (umidade natural) (g/m²) 5130 10310 7000 5430 Umidade natural (%) 14,8 9,5 14,3 11,5 GTX 1 GTX 1 GTX 3 GTX 3 PP, W PP, W PP, NW PP, NW 110 110 200 200 Código do geotêxtil Geotêxtil Material da base Gramatura (g/m²) Notas: PP: polipropileno; W: geotêxtil tecido; NW: geotêxtil não tecido. 24 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4.1.2 VAZÃO NA INTERFACE GM-GCL Foram executados ensaios de transmissibilidade da interface entre GCL e geomembrana com dano mecânico circular de 4 mm de diâmetro. A nomenclatura de cada ensaio segue o padrão X.Y-Z, em que X corresponde ao tipo de fabricação do GCL (1 para GCL costurado e 2 para o GCL agulhado); Y corresponde à natureza da bentonita que compõe o GCL (S para bentonita sódica natural e C para bentonita cálcica natural), e Z é o diâmetro do dano (em milímetros) na geomembrana que compõe a barreira composta no ensaio de transmissibilidade. Verificou-se a mesma tendência de fluxo na interface para as quatro amostras de GCL testadas, independente da natureza da bentonita ou do tipo de fabricação do GCL. No início dos ensaios, as vazões iniciais verificadas variaram entre 10-7 e 10-6 m3/s. Como a bentonita encontrava-se inicialmente na sua umidade natural (sem pré-hidratação do GCL antes dos ensaios), a água que passava através do dano da geomembrana não encontrava muita dificuldade para escoar através da interface GM-GCL. No entanto, à medida que a bentonita do GCL se hidratava com água proveniente do vazamento, a expansão da bentonita provocava uma redução da espessura da interface transmissível (espaço vazio entra a geomembrana e o GCL), reduzindo, consequentemente, a vazão. As vazões finais, em regime permanente de fluxo, foram todas em torno de 1011 m3/s, como se verifica na Figura 6, mesma ordem de grandeza das vazões obtidas por Barroso (2005). Figura 6 – Vazão através da barreira composta versus tempo (Mendes et al., 2009; Barroso , 2005). 4.1.3 UMIDADE DAS AMOSTRAS Grande parte do líquido que atravessa um dano na geomembrana de uma barreira composta escoa lateralmente ao longo da interface GM-GCL antes de infiltrar na barreira passiva (GCL e CCL). Barroso et al. (2006) e Touze-Foltz Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 25 et al. (2002) estudaram a forma da área molhada do GCL. Em um de seus ensaios, assim que o regime permanente de fluxo foi atingido, um corante azul foi adicionado à água do reservatório de alimentação da célula, permitindo a visualização dos caminhos preferenciais de fluxo na superfície do GCL (Figura 7a). Os resultados indicam que a interface transmissível não é homogênea. Barroso et al. (2006) verificaram também que o teor de umidade não era homogêneo em toda a superfície da amostra de GCL ensaiada, devido à concentração de tensões causada pela camada granular drenante sobre a geomembrana: áreas de concentração de tensões apresentavam menores valores de umidade. A má distribuição da bentonita no núcleo do GCL (Figura 7b) pode também contribuir para a heterogeneidade do teor de umidade e, inclusive, para o aparecimento de caminhos preferenciais de fluxo na interface GM-GCL. Para verificar os teores de umidade em toda a superfície da amostra de GCL após os ensaios, cada amostra era cortada em nove subamostras com aproximadamente 25 cm2 de superfície, conforme mostra a Figura 8. Os teores de umidade de cada subamostra, assim como a média dos valores encontrados, estão apresentados na Tabela 3. Verifica-se uma distribuição heterogênea da umidade, o que pode ser atribuído à concentração de tensões da camada granular sobre a geomembrana (em acordo com as observações feitas por Barroso et al., 2006), à variação da massa de bentonita ao longo do GCL e à presença de caminhos preferenciais de fluxo ao longo da interface GM-GCL. (a) (b) Figura 7 – Fatores que podem influenciar o teor de umidade ao longo da amostra: (a) caminhos preferenciais de fluxo verificados por Touze-Foltz et al. (2002); (b) má distribuição de bentonita na superfície do GCL. Figura 8 – Recorte das subamostras para determinação do teor de umidade. 26 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 1 – Teores de umidade de cada subamostra dos GCLs testados. Subamostra 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Média 1.S-4 82,7 146,1 101,6 90,8 90,0 86,0 96,0 78,9 92,2 96,1 1.S-10 87,5 89,8 99,6 79,6 89,3 119,7 90,6 85,1 107,4 94,3 1.C-4 87,2 79,2 87,4 79,3 82,0 87,0 94,0 86,6 82,7 85,0 1.C-10 85,1 90,1 96,2 85,7 85,3 80,7 86,6 77,2 89,2 86,2 2.S-4 89,8 94,1 88,0 78,6 90,4 93,2 64,6 97,3 84,6 86,7 2.S-10 95,5 89,4 126,3 99,5 94,5 93,6 105,1 93,0 90,0 98,6 2.C-4 65,7 69,0 73,2 62,9 64,3 67,2 64,5 64,5 73,2 67,2 4.2 SOLUÇÃO ANALÍTICA: CÁLCULO DA TRANSMISSIBILIDADE DA INTERFACE GM-GCL Os valores de transmissibilidade da interface foram calculados por meio da solução analítica proposta por Touze-Foltz et al. (1999). Essa solução foi desenvolvida assumindo que: (i) a interface de transmissibilidade é uniforme; (ii) o fluxo na interface ocorre de forma radial; (iii) o fluxo ocorre em regime permanente; (iv) a barreira mineral, o GCL e a interface GCL-GM estão saturados; (v) o fluxo através da barreira passiva (barreira mineral + GCL) é unidimensional e vertical. Os valores finais de vazão, correspondentes ao regime permanente de fluxo, foram empregados nos cálculos da transmissibilidade da interface. Devese destacar que a transmissibilidade calculada por meio da solução analítica proposta deve ser considerada como uma transmissibilidade aparente, uma vez que caminhos preferenciais de fluxo ocorreram nos ensaios, o que contraria uma das hipóteses consideradas nas equações. Nas condições dos ensaios de laboratório executados no presente trabalho, o raio da área molhada na interface corresponde ao raio interno da célula. As condições de contorno na extremidade da célula podem ser (i) vazão nula ou (ii) vazão não nula com carga hidráulica específica (Touze-Foltz et al., 1999). As Equações 1 a 4 são aplicáveis para a situação (ii) da presente pesquisa: fluxo diferente de zero e carga hidráulica igual a zero. (1) Na Equação 1, Q é a vazão do regime permanente de fluxo; r0 é o raio do dano circular na geomembrana; ks é a condutividade hidráulica equivalente da barreira passiva (CCL + GCL); hw é a carga hidráulica; Hs é a espessura da barreira passiva (CCL + GCL); θ é a transmissibilidade da interface GCL-GM; I1, e K1 27 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB são funções de Bessel modificadas de primeira ordem e α, A e B são parâmetros dados pelas Equações 2 a 4, apresentadas a seguir. (2) (3) (4) Nessas Equações, K0 e I0 são funções de Bessel modificadas de ordem zero, e R é o raio da área molhada que, para os ensaios da presente pesquisa, corresponde ao raio da célula. A Tabela 4 apresenta as vazões em regime de fluxo permanente medidas nos ensaios executados, bem como os valores de transmissibilidade da interface calculados por meio da solução analítica. Verifica-se que, apesar da diferença de até três ordens de magnitude entre as condutividades hidráulicas dos GCLs estudados, as vazões medidas nos ensaios, assim como os valores de transmissibilidade calculados, foram muito próximos, com a mesma ordem de magnitude. As transmissibilidades calculadas para os GCLs com bentonita cálcica (1.C e 2.C) foram ligeiramente maiores que as calculadas para bentonitas sódicas (1.S e 2.S). No entanto, as variações foram insignificantes comparadas à variação da condutividade hidráulica dos GCLs. Tabela 2 – Transmissibilidade de interface calculada a partir da solução analítica de Touze-Foltz et al. (1999). Ensaio kGCL (m/s) 1.S-4 1.C-4 2.S-4 2.C-4 3,2 x 10-11 6,9 x 10-10 1,6 x 10-11 5,8 x 10-8 kEQ (GCL+BM) (m/s) 6,9 x 10-11 9,4 x 10-11 5,5 x 10-11 9,3 x 10-11 Q medida (m3/s) 1,3 x 10-11 1,4 x 10-11 1,2 x 10-11 1,5 x 10-11 θ solução analítica (m²/s) 2,6 x 10-11 2,8 x 10-11 2,4 x 10-11 3,0 x 10-11 Nota: Ensaio X.Y-Z: X corresponde ao tipo de fabricação do GCL (1 para GCL costurado e 2 para o GCL agulhado); Y corresponde à natureza da bentonita que compõe o GCL (S para bentonita sódica natural e C para bentonita cálcica natural), e Z é o diâmetro do dano (em milímetros) na geomembrana. 28 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os resultados da presente pesquisa sugerem que, mesmo em caso de troca catiônica, transformando a bentonita sódica em cálcica, o GCL pode manter um bom desempenho dentro da barreira composta em termos de vazão através da barreira composta e de transmissibilidade da interface GM-GCL. Portanto, avaliar o desempenho de uma barreira composta baseando-se apenas na condutividade hidráulica dos GCL pode ser errôneo. 4.3 Repercussões em campo Mendes et al. (2009b) utilizaram os resultados obtidos no programa experimental e nas soluções analíticas para estimar o comportamento de barreiras tipicamente usadas no fundo de aterros sanitários. A configuração da barreira passiva simulada (subjacente à geomembrana) corresponde à configuração básica para aterros sanitários na França (Guyonnet et al., 2007; Touze-Foltz et al., 2008; MEEDDAT, 2009), apresentada na Figura 2c. A barreira passiva era composta das seguintes camadas: (i) GCL; (ii) camada de argila compacta (CCL) com 0,5 m de espessura; (iii) camada de atenuação com 5 m de espessura e condutividade hidráulica igual a 10-6 m/s. Variou-se a condutividade hidráulica do CCL para verificar a variação da vazão. As configurações foram denominadas A, B C e D, de acordo com a condutividade hidráulica da CCL (kCCL): 8×10-11 m/s (mesma condutividade hidráulica do solo usado nos ensaios), 1×10-10 m/s, 1×109 m/s e 1×10-8 m/s, respectivamente. Para manter a coerência com os valores de transmissibilidade determinados no programa experimental, os cálculos da vazão para condições de campo foram feitos considerando as mesmas solicitações dos ensaios, isto é, 50 kPa de pressão normal sobre a geomembrana, 30 cm de carga hidráulica e dano mecânico de 4 mm de diâmetro na geomembrana. A Figura 9 apresenta a variação da vazão na barreira composta versus a condutividade hidráulica equivalente (kEQ). Os valores de vazão calculados variam Figura 9 – Vazão na interface calculada pela solução analítica em função da condutividade hidráulica equivalente da barreira passiva (Mendes et al., 2009b). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 29 entre 1,44x10-11 m/s e 4,41x10-11 m/s, mostrando pouca influência da condutividade hidráulica na vazão resultante. As vazões obtidas quando GCLs com bentonita sódica (1.S e 2.S) eram usados foram ligeiramente menores que as obtidas quando GCLs com bentonita cálcica (1.C e 2.C) eram usados, especialmente para os maiores valores de kEQ (Configurações C e D). 5 Conclusões A natureza da bentonita que compõe um GCL é importante para sua condutividade hidráulica. Esse fato despertou o interesse em verificar se ela pode também influenciar os valores de transmissibilidade na interface entre o GCL e a geomembrana de uma barreira composta. Nos ensaios de transmissibilidade executados, os valores obtidos de vazão sob regime permanente de fluxo foram praticamente idênticos, independentemente da natureza da bentonita ou do processo de fabricação do GCL. Foi verificado, após os ensaios de transmissibilidade, que o formato da área molhada na interface GM-GCL não era uniforme nem axissimétrico, contrariando o que solução analítica assume. Isso se deve a uma combinação de fatores, como a distribuição não uniforme da bentonita dentro do GCL, concentração de tensões em alguns pontos da interface, devido a protuberâncias da camada drenante sobrejacente à geomembrana e caminhos preferenciais de fluxo na interface. Como consequência, a distribuição do teor de umidade no GCL também não era uniforme. A solução analítica proposta por Touze-Foltz et al. (1999) foi utilizada para estimar os valores de transmissibilidade da interface GM-GCL usando os valores de vazão obtidos na solução analítica. Não foram verificadas diferenças significativas dos valores de transmissibilidade para ensaios feitos com GCLs diferentes, apesar da diferença de três ordens de magnitude nos valores de condutividade hidráulica. A solução analítica também foi usada no cálculo das vazões através de barreiras compostas com configurações típicas nos aterros sanitários da França, variando-se o GCL da barreira passiva e a condutividade hidráulica da camada de atenuação (subjacente à CCL). Verificou-se pouca influência da condutividade hidráulica equivalente, kEQ, nas vazões previstas, mas uma tendência de aumento da vazão com a condutividade hidráulica equivalente foi observada para as maiores kEQ. Agradecimentos Este trabalho foi desenvolvido em cooperação entre a Universidade de Brasília, Université Joseph Fourier e Laboratório Cemagref. Os autores agradecem a Huesker e CETCO pelo fornecimento dos materiais e a CAPES - Coordenação 30 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior e EGIDE – Centre Français pour l’Accueil et les Échanges Internationaux pelo suporte financeiro. REFERÊNCIAS AFNOR NF P 84 707. (2005). 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Existem duas principais características desses tipos de solos. A primeira é sua baixa resistência, uma vez que o número de golpes de um ensaio SPT pode ser zero, ou seja, o amostrador penetra no solo apenas devido ao seu peso próprio. A segunda característica é natureza siltosa ou argilosa desses solos, os quais podem apresentar presença de matéria orgânica ou não. Com isso, apresentam também baixos valores de coeficiente de permeabilidade. Tendo em vista sua origem, os solos moles apresentam dois principais problemas quando algum tipo de estrutura de terra é construído sobre eles: a possível instabilidade do aterro construído e a ocorrência de recalques com o tempo, devido ao adensamento do solo mole de fundação. Já existem construções realizadas sobre esse tipo de solo há muitos anos; porém, só nas últimas décadas têm sido tecnicamente melhor tratados os tipos de problemas e analisadas formas para solucioná-los. Na construção de aterros sobre esses tipos de solos para construção de estruturas rígidas, como galpões ou prédios, podem ocorrer recalques, inclusive diferenciais, o que pode gerar problemas com trincas nas estruturas de concreto. Assim, estruturas de concreto devem utilizar fundações profundas para que haja a devida transferência de carga para um solo mais competente. A construção de aterros sobre solos moles também apresenta problemas com recalques e estabilidade. A maior gravidade desses problemas ocorre quando próximos a obras de arte, como pontes e viadutos. Devido a essas estruturas de concreto estarem apoiadas em solo rígido, é possível que haja um recalque diferencial entre a ponte/viaduto e o aterro, o que pode levar a problemas de segurança com os veículos que circulam na rodovia. Além disso, caso a estrutura rígida venha a ser construída antes do aterro, pode haver deslocamentos horizontais na sua fundação, dependendo da distância entre as estacas e o aterro. Os 34 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB deslocamentos podem gerar esforços nas estacas que constituem a fundação da ponte. Esse fenômeno é denominado de Efeito Tschebotarioff. Caso não venham a ser dimensionadas para esses esforços, as fundações podem vir a romper e, assim, gerar o colapso da estrutura rígida. A Figura 1 mostra um desenho esquemático dos problemas com aterros sobre solos moles. (a) (b) Figura 1 – Possíveis problemas na construção de aterros sobre solos moles: (a) instabilidade e (b) recalque. A Figura 2 mostra o desnível ocorrido entre o aterro e a estrutura vizinha na estrada Linha Verde, na Bahia (Fahel, 2003), ratificado pela deformação da defensa de proteção. Uma maneira de se verificar o recalque ocorrido após a conclusão do aterro é a observação de diferença de cota entre a defensa de proteção da rodovia e a ponte. Caso ocorram recalques no aterro de acesso à ponte, tendo em vista que esta é uma estrutura rígida, haverá um desnível entre os dois. A fim de se evitar problema com a construção de aterros sobre solos moles, surgiram algumas técnicas de melhoria. Pode ser executada, por exemplo, a remoção parcial ou total do solo mole de fundação com a posterior substituição por um solo melhor. Entretanto, tal remoção só é recomendada até profundidades de, no máximo, cinco metros, tendo em vista a elevação excessiva do custo de execução da obra para profundidades maiores. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 35 Figura 2 – Recalques excessivos de muro não estaqueado com deformação da defensa de proteção (Fahel, 2003). A utilização de drenos verticais de areia é uma forma tradicional de se acelerar o adensamento. A presença desses drenos reduz a distância de percolação da água, o que faz com que o adensamento ocorra em um intervalo de tempo menor. Devem-se tomar as devidas precauções durante a execução desses drenos para que não haja o seu estrangulamento, quando realizados em solos muito moles. Pode-se ainda associar a execução dos drenos à aplicação de uma sobrecarga. Existe também a técnica de eletrosmose, em que uma série de eletrodos, inseridos no solo, aceleram o processo de adensamento. Esse fenômeno acontece quando uma diferença de potencial é aplicada a solos finos saturados. A eletrosmose é o processo no qual os íons da água são dissociados, devido à aplicação de uma diferença de potencial. O potencial elétrico desenvolvido entre os eletrodos causa fluxo de água do ânodo para o cátodo através da massa do solo, podendo ser também utilizada para a retirada de fluidos contaminantes. Há, ainda, a técnica do estaqueamento, em que a fundação do aterro é reforçada com a execução de uma série de estacas com o espaçamento devidamente calculado. Essas estacas podem ser executadas em concreto ou com materiais granulares (areia ou brita). Há algumas décadas surgiram os materiais geossintéticos, que são materiais sintéticos para aplicação em obras geotécnicas e de proteção ambiental. Como suas propriedades são controladas em fábrica, esses materiais facilitam bastante o dimensionamento de obras em que são empregados. Esses materiais podem ser usados, por exemplo, na separação entre um material mais nobre e um material mais fraco em rodovias, reforço da fundação de aterros, aceleração de adensamento (geodrenos) em substituição aos drenos verticais granulares, estruturas de contenção, controle de erosões, drenagem, filtração, pavimentação, barreiras impermeabilizantes, etc. Maiores detalhes sobre os tipos e a utilização desses materiais podem ser encontrados no livro Manual Brasileiro de Geossintéticos (Editora Edgard Blücher, 2004). Outra vantagem da utilização dos geossintéticos é a enorme facilidade e rapidez de execução da obra, em relação a soluções tradicionais. 36 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Desses materiais, os mais utilizados nas obras de aterros sobre solos moles são as geogrelhas, os geotêxteis e os geodrenos (Figura 3). O primeiro tipo é fabricado em forma de grelha. Essas grelhas podem possuir elevadas resistência e rigidez à tração. Além disso, podem possuir resistência à tração em apenas uma direção (uniaxial) ou nas duas direções (biaxial). A geometria, a resistência e a rigidez dependerão do produto considerado. Em aterros altos, geralmente são utilizadas como material de reforço na sua base. Com a presença da geogrelha, é possível trabalhar-se com taludes mais íngremes, economizando-se, assim, material granular e necessitando-se de menos material de jazida. Nos primeiros, as fibras são fabricadas com direções preferenciais. Os geotêxteis tecidos podem ser utilizados para reforço de fundação de aterros e para a separação de materiais. Já os geotêxteis não tecidos apresentam distribuição das fibras aleatória, sendo, assim, menos rígidos à tração que os tecidos. Por isso, são mais comumente utilizados como elementos de separação e filtração. Os geodrenos (Figura 3) são constituídos por espaçadores de plástico revestidos por elemento filtrante, cuja largura é bem maior que a espessura. Dessa forma, acabam tendo um grande valor de capacidade de descarga ao longo do seu plano e, assim, podem substituir os drenos granulares. A grande vantagem da utilização de geodrenos é a velocidade de execução, bem maior que a dos drenos granulares. Além disso, não há dependência de materiais de jazida para execução. Figura 3 – Exemplo de geogrelha, geotêxtil não tecido e geodreno. 2 ESTUDOS NUMÉRICOS Na Universidade de Brasília, o primeiro estudo envolvendo aterros sobre solos moles como tema foi o de Silva (1996), em que foram estudadas diversas geometrias hipotéticas de aterros construídos sobre esse tipo de fundação. Para isso, utilizaram-se programas computacionais usando métodos de equilíbriolimite desenvolvidos na própria universidade. Foi feita ainda uma comparação entre os resultados de diversos métodos. As comparações foram feitas para diversas geometrias, conforme mostrado na Figura 4. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 37 (a) (b) Figura 4 – Alguns dos problemas estudados por Silva (1996): (a) variação da geometria de aterro sobre solo mole e (b) variação da posição do reforço na altura do aterro (modificado de Silva, 1996). No trabalho, verificaram-se não só a variação do fator de segurança devido à presença de reforços geossintéticos na base de aterros, como também a influência na largura de bermas de equilíbrio, quando presentes. A partir dos resultados, constatou-se que, dependendo-se do método de cálculo utilizado, há uma dispersão significativa do valor da força requerida no reforço na base para obter-se um determinado valor de fator de segurança. Constatou-se, também, que, com a construção de bermas de equilíbrio, a largura destas poderia ser significativamente reduzida com a inclusão de reforços. Foram também calculados fatores de segurança de acordo com a inclinação do talude para um aterro com quatros metros de altura. Com isso, foi possível avaliar que a variação no volume de terra necessário para tal construção, em função do método de equilíbrio-limite utilizado, é relativamente grande. Outra análise consistiu em verificar a variação no coeficiente de segurança com a modificação do posicionamento do reforço no aterro (Figura 4). Por fim, o trabalho comparou os valores previstos pelo método de equilíbrio limite com casos históricos de aterro construídos sobre solos moles, que foram levados à ruptura. Concluiu-se que o Método de Bishop Simplificado e o do U.S. Corp of Engineers forneceram resultados bastante satisfatórios (Figura 5). Figura 5 – Comparação entre os valores de fatores de segurança para os casos históricos estudados (modificado de Silva, 1996). 38 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Sá (2000) estudou alguns casos hipotéticos de aterros sobre estacas com capitéis utilizando um programa comercial de diferenças finitas (FLAC). Na realização das análises, foram admitidas condições de deformação plana. As estacas (0,30 m de diâmetro) foram simuladas como uma parede equivalente, assim como foi feito no estudo de Macedo (2002), e foi variado o espaçamento entre estacas, com o objetivo de verificar a mudança no comportamento geral da obra. Além disso, variaram-se o espaçamento e a rigidez dos reforços posicionados na base do aterro. Para essas análises, o espaçamento entre as estacas foi mantido constante. A Figura 6 mostra a geometria geral do problema. Figura 6 – Geometria geral das análises realizadas por Sá (2000). Quando a distância entre capitéis foi de 1,5 m, os recalques sofreram redução de até 21%, quando comparado ao caso em que o aterro não possuía estaqueamento. A utilização de geossintéticos acima dos capitéis reduziu ainda mais esses valores. Para uma mesma distância entre capitéis, houve uma redução considerável nos recalques à medida que se aumentava a rigidez do reforço utilizado. A redução desses recalques também foi notável com o aumento da quantidade de reforços. As análises mostraram que, depois de a rigidez à tração do reforço ter atingido valores elevados, a eficiência do incremento da rigidez nos recalques foi menor. Os resultados indicaram, ainda, que, dependendo da quantidade e da rigidez dos reforços utilizados, as tensões verticais foram reduzidas em até 83%, quando comparadas às do aterro sem estaqueamento nem reforço. Outro estudo realizado na área de aterro sobre solos moles foi o de Macedo (2002). Foram analisados alguns aterros hipotéticos por meio de um programa de elementos finitos bidimensional comercial (PLAXIS 7.2) com a finalidade de avaliar como a construção do aterro e algumas técnicas construtivas afetam as fundações das estruturas vizinhas. A utilização de drenos verticais e estacas com capitéis sob o aterro também foi investigada. O levantamento do aterro foi simulado por meio de construção em etapas, num total de cinco camadas. O solo mole de fundação foi admitido com duas profundidades: 6 m e 12 m. A Figura 7 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 39 mostra a geometria geral do problema analisado. A estrutura vizinha simulada representava uma ponte de 40 m de comprimento apoiada sobre solo rígido. Nas simulações, foram estudadas duas situações distintas. Na primeira, considerou-se que as estacas da fundação estavam sem nenhuma carga aplicada, ou seja, sem a ponte estar construída. Na segunda, admitiu-se que a ponte foi construída antes do aterro. Para simulação dos espaçamentos entre estacas no sentido longitudinal, foi admitida uma parede de rigidez equivalente. O mesmo princípio foi utilizado para simulação dos drenos por meio de uma parede drenante, com uma determinada permeabilidade equivalente. Figura 7 – Geometria do geral do problema analisado por Macedo (2002). Para simular os solos presentes, foram usados dois modelos. Um deles foi o Mohr-Coulomb, em que se admite um comportamento elástico perfeitamente plástico para o solo. Esse modelo foi utilizado para simular o material de aterro e, em alguns casos, o solo mole de fundação. Outro modelo empregado foi o Soft-Soil, baseado no modelo Cam-Clay, bastante utilizado na simulação de solos moles. Os resultados mostraram que a presença de reforço geossintético reduz os deslocamentos verticais e horizontais no solo mole de fundação e que a intensidade dessa redução depende da rigidez do reforço. Nas análises em que foi simulada a presença das fundações da ponte, a presença do reforço mostrou efeito importante, sendo mais relevante no caso do solo mole com maior espessura. Um fato também notado nas análises foi o de que, quanto mais próximas as fundações estavam do pé do aterro, maiores eram os deslocamentos gerados nessas fundações pelo solo mole de fundação com a construção do aterro. À medida que as estacas afastavam-se do pé do aterro, menores eram esses mesmos esforços, ao passo que a força requerida nos reforços geossintéticos era maior. Ainda segundo as análises, o aumento das quantidades de reforços diminui os deslocamentos horizontais gerados, porém em menor magnitude do que quando se aumenta a rigidez do reforço. Outra conclusão importante foi a de que o modelo utilizado para simular o solo mole de fundação influenciou nos deslocamentos horizontais gerados devido à construção do aterro. Nesse caso, o 40 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB solo mole apresentou maiores valores de tais deslocamentos quando se utilizou o modelo Soft-Soil. A simulação com a utilização de drenos verticais também reduziu os deslocamentos horizontais gerados, sendo essa redução ainda maior quando houve a inserção de reforço geossintético na base do aterro. Segundo as simulações, a utilização desses drenos ainda reduziu esforços nas estacas próximas ao aterro. Com relação à construção do aterro sobre estacas com capitéis, a utilização de reforços geossintéticos na base do aterro é mais eficiente quanto maior a distância entre as estacas. O trabalho de Araujo (2004) apresentou retro-análise dos encontros de pontes reforçados e instrumentados estudados por Fahel (2003), que serão descritos mais adiante. Foram analisados dois aterros. A Figura 8 mostra a região onde estava localizado um dos aterros retro-analisados. A análise numérica foi feita com o mesmo programa computacional de elementos finitos (PLAXIS 7.2) utilizado por Macedo (2002). Os parâmetros iniciais das análises foram baseados em alguns ensaios realizados nos encontros de ponte apresentados no trabalho de Fahel (2003). O trabalho mostra, ainda, uma revisão bibliográfica de outros casos históricos que também foram retro-analisados, evidenciando algumas limitações do Método dos Elementos Finitos. Para modelagem dos solos arenosos presentes, foi utilizado o modelo Hardening-Soil; para modelagem do solo mole de fundação, foi utilizado o modelo Soft-soil, ambos comentados anteriormente. Os resultados mostraram que as formas de variação obtidas nas análises numéricas apresentaram comportamento semelhante às dos valores medidos, para os deslocamentos tanto verticais quanto horizontais. Por sua vez, a magnitude dos valores diferiu um pouco, dependendo do caso analisado. Já os valores de excesso de poropressão se dissipavam mais rapidamente nas simulações do que o que realmente ocorreu em campo. Figura 8 – Região onde foram construídos os aterros retro-analisados por Araujo (2004). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 41 É provável que isso tenha sido devido a algum tipo de limitação na modelagem numérica. A quantidade de reforços presente nas obras foi comparada aos resultados fornecidos por dimensionamento dos reforços utilizando-se metodologias analíticas, métodos de equilíbrio-limite e resultados das simulações numéricas. Todos os resultados indicaram que a quantidade de reforços utilizada foi excessiva. No caso do primeiro encontro de ponte analisado, a existência de uma berma frontal ao aterro, já existente antes da rodovia, tornou necessária uma quantidade ainda menor de reforços. Análises preliminares no sentido transversal da rodovia indicaram que as bermas de equilíbrio utilizadas estavam com a largura acima do necessário, conforme já havia sido indicado pelo trabalho de Fahel (2003). Além disso, as análises por elementos finitos mostraram valores relativamente elevados de excessos de poropressão gerado no solo de fundação com as construções das bermas. Em outro trabalho, Echeverria Fernandes (2006) estudou o efeito do estaqueamento na base de um aterro construído em terra armada sobre solo colapsível, que também pode apresentar problemas com recalques excessivos. O estudo foi feito por meio de análises numéricas preliminares em um programa de elementos finitos bidimensional. Posteriormente, foram realizadas análises numéricas tridimensionais (Figura 9). Figura 9 – Resultado de análises numéricas tridimensionais realizadas por Echeverria Fernandes (2006). Essas análises surgiram da necessidade de construção de um aterro de altura elevada sobre solo colapsível. Foi simulado bidimensionalmente a substituição parcial do solo colapsível por um solo de melhor qualidade, variando-se, inclusive, a profundidade de solo substituído e o estaqueamento da fundação. Também se variaram quantidade, o espaçamento e o comprimento dessas estacas, bem como a combinação das duas soluções. Os resultados mostraram que a utilização de capitéis é mais eficiente na transferência de cargas do que a utilização de uma laje contínua ao longo do estaqueamento. Além disso, a técnica de estaqueamento mostrou-se como a melhor solução para redução dos recalques. A solução com troca de solo só se mostrou 42 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB eficiente para pequenas profundidades (até quatro metros). Apesar de reduzir bastante os recalques, os valores finais com esse tipo de solução foram elevados para um aterro em terra armada. Ainda segundo as análises, a eficiência da solução com troca de solo dependeu, além da espessura da camada substituída, da rigidez da camada de reposição. Os resultados das análises tridimensionais mostraram que o dimensionamento das estacas não deve ser feito baseado em análises em apenas duas dimensões, pois as cargas nesse tipo de análise são menores dos que a realmente existentes. 3 ESTUDOS EXPERIMENTAIS Fahel (1998) analisou o comportamento de muros reforçados com geossintéticos, construídos para duplicação da rodovia Linha Verde, no Estado da Bahia, a nordeste da capital Salvador. O perfil do subsolo típico da região indicava areia muito argilosa com espessura entre 2 e 5 m sobre uma argila muito compressível (SPT entre 0 e 4 e resistência não drenada entre 10 e 60 kPa), com espessura variando entre 2 e 14 m. Um dos muros, por estar apoiado diretamente sobre camada de solo muito mole, apresentou graves problemas de recalques, inclusive causando deformação da defensa de proteção (Conforme ilustrado na Figura 2). Foram medidos recalques de até 0,29 m. Em função disso, as demais seções foram estaqueadas. A geometria dos muros e do estaqueamento, quando houve, variava em cada seção. Outro muro apresentou deformações excessivas, tendo em vista o mau dimensionamento contra erosão causada pelo fluxo d’água no rio em épocas de cheias, o que fez com que parte do solo da saia do aterro e do material envelopado cedessem (Figura 10). O acompanhamento da obra mostrou que, apesar de alguns danos nos elementos na face do muro e no pavimento da via, a flexibilidade das estruturas reforçadas com geotêxteis foi um fator importante para minimizar os danos provocados devidos aos recalques diferenciais. Análises de laboratório de amostras virgens dos reforços utilizados mostraram dispersão entre os resultados de ensaios de tração, atribuídos ao processo de fabricação. Figura 10 – Colapso de muro reforçado devido à erosão (Fahel, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 43 Foram realizadas também exumações de alguns reforços de quatro muros e, então, feitos ensaios mecânicos, comparando-se os resultados aos dos materiais no estado virgem. Verificou-se que os ensaios de tração nos geotêxteis exumados mostraram perda de resistência superior a 23%, provavelmente causada por danos durante a instalação. Análises quanto ao tombamento, ao deslizamento e à estabilidade global também foram realizadas. Para isso, foram empregados alguns dos programas de computador que utilizam métodos de equilíbrio-limite, também utilizados por Silva (1996). Análises preliminares mostraram que o número de reforços era excessivo. Por isso, realizou-se uma retro-análise, desejando-se, com isso, calcular a quantidade de reforços realmente necessária. Os resultados mostraram que tanto a quantidade como o comprimento dos reforços utilizados foram superdimensionados. Por fim, foram realizadas análises numéricas bidimensionais utilizando o método das diferenças finitas por meio de outro programa de computador. A simulação numérica visou apenas uma análise preliminar. Assim, foram utilizados modelos mais simplificados de modelagem (linear). Apesar de magnitudes diferentes, o padrão de deslocamentos e as rotações observadas nos aterros reais também foram obtidos nas análises numéricas. Assim como no campo, as análises mostraram um comportamento mais rígido da estrutura quando esses aterros foram estaqueados. Fahel (2003) relata o comportamento de quatro encontros de ponte, instrumentados, executados para duplicação da BR-101 no Estado de Santa Catarina. Na base desses aterros, houve a inclusão de geogrelhas uniaxiais para seu reforço. Para aceleração do adensamento, realizou-se o tratamento do solo mole por meio de cravação de geodrenos. Uma extensa instrumentação geotécnica foi instalada para melhor acompanhamento do comportamento desses aterros. Além disso, foram realizados ensaios de campo para obtenção de propriedades da argila mole de fundação, como ensaios de palheta, ensaio de cone e dilatômetro Marchetti. Foi realizada também uma campanha de ensaios de laboratório (caracterização, ensaios triaxiais, adensamento, cisalhamento direto, etc.). A instrumentação consistiu de placas de recalque, perfilômetro de recalques, extensômetros magnéticos horizontais, extensômetros elétrico de corda vibrante (para medição da deformação dos reforços), Piezômetros de corda vibrante e Piezômetro Casagrande. Bermas laterais foram utilizadas para garantir a estabilidade dos aterros no sentido transversal ao da rodovia. Essas bermas poderiam ter sido evitadas caso tivessem sido utilizadas geogrelhas biaxiais. A instrumentação foi primordial para a construção do aterro em etapas, pois havia um devido acompanhamento das poropressões e dos deslocamentos horizontais gerados. A instrumentação mostrou, em alguns casos, excessos de deslocamentos horizontais nos solos de fundação e de poropressões geradas, o que levou a problemas em alguns casos. A instrumentação mostrou, ainda, que os drenos verticais de alguns aterros não tiveram tempo suficiente para promo- 44 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ver uma porcentagem significativa dos recalques por adensamento. As medições das deformações dos reforços, em alguns casos, indicaram que a quantidade de reforços foi superdimensionada. Análises de equilíbrio-limite também mostraram que a quantidade de reforços e a largura das bermas utilizada foram excessivas. A Figura 11 mostra as geogrelhas utilizadas nos aterros e a ruptura parcial de um deles. (a) (b) Figura 11 – (a) Geogrelhas e material de aterros utilizados e (b) Ruptura parcial de um dos aterros (Fahel. 2003). Mesmo com a presença e o acompanhamento da instrumentação, erros construtivos foram relatados, dentre eles: • a execução de berma de equilíbrio após o aterro principal ao invés de concomitantemente, o que gerou deslocamentos excessivos no solo de fundação; • a execução de sobrecarga em apenas uma etapa, o que gerou deslocamentos horizontais na pista antiga existente; • a cravação de estacas da fundação de uma ponte antes da construção do aterro, o que levou a deslocamentos das estacas pelo solo mole e • a ruptura parcial de um dos aterros. Foram desenvolvidos alguns estudos no Programa de Pós-graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília sobre utilização de eletro-osmose para melhoria do solo mole de fundação. O primeiro estudo foi desenvolvido por Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 45 Nascimento (2005), que tratou de ensaios realizados em caixas experimentais de médio porte (7,5 m3). Nesse estudo, testou-se a aceleração do adensamento do solo mole utilizando Geossintéticos Condutores Elétricos. No caso, tratou-se de um dreno geossintético com uma haste de cobre em seu interior. Por meio de uma fonte estabilizada, com regulagem de corrente elétrica e tensão, uma diferença de potencial era aplicada. Foram utilizadas duas caixas de mesmo volume. Baseando-se nos resultados obtidos, podem-se comparar os resultados de ensaios utilizando-se drenos pré-fabricados (DPV`s) convencionais e geossintéticos condutores elétricos (GEC’s). Nesses ensaios, havia medição dos recalques no topo da superfície de argila, de valores de poropressão e de resistência não drenada do solo, por meio de ensaios de palheta. Para melhor entendimento dos ensaios de grande porte, foram também realizados alguns ensaios de laboratório de pequena escala (Figura 12). Os ensaios mostraram que o solo precisa ter certa concentração eletrolítica para que a eletro-osmose tenha eficiência. Figura 12 – Ensaios de laboratório em pequena escala utilizando geossintéticos eletrocinéticos (Nascimento, 2005). A adição de sal ao solo utilizado melhorou bastante a eficiência do processo. Com a utilização de geossintéticos condutores elétricos, tanto as poropressões medidas como o tempo de adensamento do solo mole foram menores do que quando se utilizaram drenos verticais pré-fabricados. A segunda dissertação de mestrado sobre o assunto, que complementou o trabalho de Nascimento (2005), foi a de Feitoza (2007), que tratou de melhoria de solo mole por eletrosmose por meio de uma célula eletrosmótica. No equipamento (Figura 13), uma carga era aplicada axialmente (simulando, em campo, a sobrecarga devida a um aterro) sobre uma amostra de argila mole confinada em um tubo de acrílico, cilíndrico, com 280 mm de diâmetro interno e 450 mm de altura. À medida que o carregamento era aplicado, os deslocamentos verticais 46 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB eram medidos por meio de extensômetros. Havia dois drenos eletrocinéticos distanciados de 20 mm na amostra. A diferença de potencial era aplicada por meio de uma fonte que regulava a tensão e a corrente elétrica fornecidas, tendo sido realizados ensaios com e sem a presença de sal, em um total de 12 ensaios. Figura 13 – Célula eletrosmótica utilizada no estudo de Feitoza (2007). Os resultados obtidos forneceram parâmetros do solo, como condutividade elétrica, salinidade e pH, e curvas recalque versus tempo, indicando a eficácia da técnica de eletrosmose e o consumo de energia por m3 de solo. Os resultados também indicaram que, com o aumento da salinidade, ocorreu o aumento da condutividade elétrica de solo e a diminuição de seu pH. Com a eletrosmose, ocorreu também o aumento da resistência não drenada do solo, medida por meio de ensaios de palheta. O trabalho de Araujo (2009) estudou o comportamento de colunas granulares como reforço de aterros sobre solos moles e colapsíveis. Tendo em vista o baixo confinamento lateral oferecido a essas colunas nos primeiros metros de solo, nos últimos anos tem se utilizado a técnica de encamisamento com material geossintético de elevadas resistência e rigidez à tração, para redução de deformações laterais excessivas e possíveis reduções na capacidade de carga da coluna. O trabalho envolveu a realização de provas de carga em colunas de areia, brita e solo-cimento, com e sem reforço geossintético. Os ensaios foram realizados na região CentroOeste, onde é muito comum encontrar-se a presença de solo colapsível. Foram também realizados ensaios de laboratório e simulações numéricas. Os resultados mostraram ganho de resistência na capacidade de carga das colunas de areia, quando encamisadas. Mostraram que a brita utilizada na região do Distrito Federal apresenta alto índice de quebra, o que gerou redução nos Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 47 possíveis ganhos de capacidade de carga para o caso encamisado. Para determinação da quantidade de quebra dos grãos de brita, foram realizados ensaios de laboratório e exumação da brita das colunas no campo. Por sua vez, a coluna de solo-cimento encamisada não apresentou ganho de resistência com o encamisamento. Para melhor compreensão da deformação ao longo do comprimento das colunas, medidores de deformação foram inseridos nas colunas. Os resultados mostraram que as deformações realmente são maiores no seu topo. Objetivando melhor compreensão dos ensaios conduzidos no campo, foram realizados ensaios de laboratório semelhantes a ensaios triaxiais em amostras de areia, com e sem encamisamento, para diferentes pressões confinantes. Para isso, um equipamento foi desenvolvido para execução de ensaios em amostras com 0,45 m de altura e 0,30 m de diâmetro. Os resultados mostraram que a capacidade de carga aumentou e que as deformações laterais foram reduzidas com a presença do encamisamento geossintético. As deformações horizontais foram medidas por meio de uma célula de deformação posicionada internamente à amostra. A Figura 14 mostra uma fotografia do sistema de aplicação de carga dos ensaios e de campo e do equipamento de laboratório. Por fim, foram realizadas análises numéricas dos casos estudados. Essas análises simularam tanto os ensaios de campo como os de laboratório, utilizando um programa de elementos finitos. Os resultados mostraram que, de uma maneira geral, houve boa concordância entre os valores medidos e os previstos. No caso dos ensaios de campo, as deformações nas simulações numéricas se mostraram maiores no topo das colunas, assim como indicaram as medições no campo. (a) (b) Figura 14 – (a) Sistema de aplicação de carga dos ensaios de campo e (b) Ensaios de laboratório realizados no estudo de Araujo (2009). 48 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4 COMENTÁRIOS FINAIS Baseando-se nos resultados das pesquisas realizadas na Universidade de Brasília na área geotécnica, pode-se notar a complexidade de trabalhar com construções de aterros sobre solos moles. Apesar de anos de pesquisas já realizadas nessa universidade, há ainda vários estudos que podem complementar os resultados já existentes. Os estudos numéricos realizados nessa linha de pesquisa mostraram que, apesar de algumas limitações, os programas existentes fornecem uma boa previsão do comportamento desse tipo de obra. As pesquisas mostraram ainda a necessidade de uma boa campanha de ensaios para uma melhor acurácia entre valores previstos e medidos. Os trabalhos experimentais, seja em obra, seja em laboratório, mostraram que as técnicas de melhoria de solos moles atualmente existentes são bastante eficazes. Além disso, a instrumentação desse tipo de obra se mostrou primordial para melhor entendimento de seu comportamento nesse tipo de obra. Os resultados dos casos estudados mostraram que o devido acompanhamento das obras é primordial para evitar problemas. REFERÊNCIAS Araujo, G.L.S. (2004). Retro-análise de Encontros de Ponte Reforçados Sobre Solos Moles. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-125/04, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 134 p. Araujo, G.L.S. (2009). Estudo em Laboratório e em Campo de Colunas Granulares Encamisadas com Geossintéticos. Tese de Doutorado, G.TD 058/09, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 143 p. Echeverria Fernandes, S.P. (2006). Efeito de Arqueamento em Aterros sobre Solo Estaqueado. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-143/06, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 136 p. Editora Edgard Blucher (2004). Manual Brasileiro de Geossintéticos. São Paulo, SP, 413 p. Fahel, A.R.S. (1998). Instabilidades e Problemas Construtivos em Obras Reforçadas com Geossintéticos. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM052A/98, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 117 p. Fahel, A.R.S. (2003). Desempenho de Encontros de Pontes Reforçados com Geogrelhas sobre Solos Moles. Tese de Doutorado, Publicação G.TD-018/03, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 247p. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 49 Feitoza, J. (2007). Consolidação de Solos Moles com Uso de Célula Eletro-osmótica. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-163/07, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 108 p. Nascimento, A.J.P. (2005). Aceleração da Consolidação de Solos Argilosos com Uso de Eletro-osmose. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-131/05, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 117 p. Macedo, I.L. (2002). Análise Numérica de Construção de Aterros Sobre Solos Moles Próximos a Estruturas Existentes – Influência da Presença de Reforço Geossintético. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-094A/02, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 192 p. Sá, C.T. (2000). Análise Numérica de Aterros Estaqueados Reforçados com Geossintéticos. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-070A/00, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 134 p. Silva, A.R.L. (1996). Estabilidade de Aterros Sobre Solos Moles Reforçados com Geossintéticos. Dissertação de Mestrado. Publicação G.DM-030A/96, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 104 p. Capítulo 4 Contribuições para o estudo dos geossintéticos em sistemas de filtração e drenagem Maria das Graças Gardoni Almeida Ennio Marques Palmeira 1 INTRODUÇÃO Os geossintéticos têm sido amplamente utilizados na solução de problemas em obras de engenharia geotécnica nos últimos anos. Uma das utilizações mais tradicionais, frequentes e bem-sucedidas desses materiais é como componente de sistemas de drenagem e separação de materiais em obras correntes, como: drenos em estruturas de rodovias, proteção contra erosão interna e erosão regressiva em barragens e diques, proteção de erosão como barreiras de sedimentos, etc. Apesar do aumento da aplicação desses materiais em obras usuais de engenharia e dos relevantes estudos efetuados por muitos pesquisadores, ainda existe uma barreira quanto à sua aplicação em obras de maior responsabilidade, como grandes barragens de terra e altas pilhas de rejeito de mineração. Informaçções sobre o comportamento desses materiais sob elevados níveis de tensão, bem como sobre o seu comportamento de longa duração em obras de disposição de resíduos ainda são pouco disponibilizadas na literatura. Os principais questionamentos em relação ao uso dos geotêxteis em sistemas de drenagem dizem respeito à colmatação a curto ou longo prazo dos filtros sintéticos, à capacidade de retenção do filtro, ao efeito de elevados níveis de tensão nas características hidráulicas dos geotêxteis e à colmatação biológica em sistemas de drenagem de disposição de resíduos. Nesses casos, uma falha no sistema de drenagem pode causar sérios problemas ambientais ou de instabilidade da estrutura. O mecanismo de impregnação do geotêxtil por partículas de solo não tem sido considerado no desempenho dos sistemas sintéticos de drenagem. A impregnação da manta de geotêxtil pode ser causada, durante o fluxo, pela migração de partículas que ficam presas na estrutura de fibras ou, antes do início do fluxo, como consequência do lançamento e da compactação do solo sobre a manta de geotêxtil, afetando a compressibilidade e a permeabilidade do filtro sintético. 52 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB No caso dos filtros de geotêxteis, o colapso do sistema pode ocorrer devido ao processo de colmatação, que pode se apresentar sob diferentes aspectos: cegamento, bloqueamento ou colmatação interna, como apresentado esquematicamente na Figura 1 (Palmeira & Gardoni, 2000). O cegamento pode ocorrer quando o geotêxtil está em contato com solos internamente instáveis. Esses solos estão sujeitos ao fenômeno da sufusão, que é o movimento de partículas finas retidas pela manta de geotêxtil. Essa lâmina de partículas finas forma um filme de baixa permeabilidade, causando uma severa redução da medida do fluxo (Figura 1a). Uma situação crítica de colmatação por cegamento é a filtração de partículas em suspensão. As partículas conduzidas pelo fluxo tendem a se depositar na superfície do geotêxtil, formando uma lâmina de partículas muito finas, às vezes com aberturas de filtração muito inferiores àquelas do filtro sintético (Vidal, 1999; Junqueira, 2000; Colmanetti, 2000). O bloqueamento acontece quando as partículas do solo fecham os poros da matriz do geotêxtil (Figura1b). A colmatação interna pode ocorrer devido à retenção de um grande número de partículas do solo nos poros do geotêxtil ou como resultado da precipitação de substâncias químicas ou atividade biológica (Figura 1c). Christopher & Fischer (1992) definem a colmatação como o resultado da penetração de partículas finas dentro do geotêxtil, bloqueando canais de poros ou fechando a superfície superior do geotêxtil, reduzindo, assim, a sua permeabilidade. 2 COMPORTAMENTO DO SISTEMA SOLO-GEOTÊXTIL SOB CONDIÇÕES DE COLMATAÇÃO PARCIAL SEM CONSIDERAÇÃO DAS TENSÕES DE CONFINAMENTO Em 1993, iniciou-se na Pós-graduação de Geotecnia da UNB, como parte da linha de pesquisa Estabilização de Solos e Geossintéticos, a primeira dissertação de mestrado na área de filtração e drenagem. Até aquela data, muito já se havia estudado na área de reforço com geossintéticos, uma especialidade do Prof. Ennio Marques Palmeira, pesquisador responsável por aquela linha de pesquisa. Mas o primeiro projeto de pesquisa sobre sistemas de filtração e drenagem com geossintéticos surgiu de uma demanda do Departamento de Estradas de Rodagem do Distrito Federal, DER-DF, em contatos feitos pelo Prof. Luis Gonzaga Rodrigues Lopes, na época professor da Pós-graduação em Geotecnia e diretor do referido órgão, com o Prof. Ennio para solução dos problemas de colmatação dos filtros das rodovias do Distrito Federal (DF). A maioria desses drenos construídos em material natural se encontrava colmatados em pouco tempo de vida útil, devido às características do solo da região. Os solos tropicais do DF, conhecidos como solos lateríticos, sofreram influências geológicas, climáticas e antrópicas que lhes conferem características particulares e comportamento diferenciado. O DER-DF propôs uma pesquisa visando à possibilidade de utiliza- 53 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ção de novos materiais, em particular o geotêxtil, nos sistemas de drenagem das rodovias. Uma experiência bem-sucedida feita pelo DER-DF há oito anos em um dreno de 400 m de extensão, na rodovia BR-040, mostrou a efetividade do geotêxtil não tecido como filtro no sistema de drenagem. Em vista do problema, o tema foi lançado com o objetivo de investigar o comportamento dos filtros de geossintéticos com esses solos e comparar com o desempenho observado para os filtros de material granular. (a) (b) (c) Figura 1 – Mecanismos de colmatação em filtros de geotêxteis: (a) cegamento, (b) bloqueamento e (c) colmatação interna (Palmeira & Gardoni, 2000). A metodologia proposta para a pesquisa contemplava ensaios de filtração do sistema solo versus geotêxtil. Para a sua viabilização, um equipamento apropriado para ensaios de filtração do tipo Razão entre Gradientes (GR) foi desenvolvido, sendo projetado e construído durante a pesquisa. As Figuras 2a e b apresentam a versão final do equipamento composto por seis permeâmetros que possibilitam a composição de vários sistemas com diferentes solos e geossintéticos. A Figura 2b mostra um esquema do permeâmetro com uma série de piezômetros em toda a extensão da amostra de solo além daqueles localizados na interface solo versus geotêxtil, para a medida das cargas hidráulicas durante o ensaio. (a) (b) Figura 2 – Equipamento para ensaios de filtração do tipo Razão entre Gradientes (GR): (a) resultados de ensaios com geotêxteis virgens e impregnados com solo; (b) vista do equipamento de filtração. 54 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Essa pesquisa, contribuiu de forma relevante para o avanço das pesquisas na área ao propor um novo procedimento para moldagem de amostras indeformadas para ensaios de filtração, pois até então não se utilizava esse tipo de amostras devido à dificuldade para garantir o fluxo somente no interior corpo-de-prova de solo e com ensaios de longa duração (em torno de 18 meses) do sistema solos versus geotêxtil. Metodologias e procedimentos inovadores foram desenvolvidos para a análise microscopia eletrônica óptica e de varredura dos geotêxteis com o intuito de avaliação da colmatação do filtro sintético. Essas análises permitiram concluir que partículas muito maiores do que as aberturas de filtração do geotêxtil ficam presas na matriz da manta ou passam por elas devido somente à força da percolação do fluido (Gardoni & Palmeira, 1998; Palmeira & Gardoni, 2000 a, b). Algumas imagens são apresentadas nas Figuras 3a e 3b. Outra importância dessa fase da pesquisa foi a análise de diferentes solos tropicais, o que originou um banco de dados de características dos solos tropicais e diversos geotêxteis tecidos e não tecidos, bem como a retroanálise de uma obra com geossintéticos. Os resultados dos ensaios mostraram que o valor do parâmetro que é utilizado no critério de colmatação para definição do projeto do filtro não deveria ser aplicado sozinho para os solos tropicais, pois este ultrapassava muito o valor estipulado pela norma ASTM. Essa conclusão abriu a discussão para a necessidade de um novo critério de colmatação para filtros de geotêxtil valor. O trabalho de pesquisa foi publicado em diversos congressos nacionais e internacionais. As pesquisas procuravam sempre o entendimento do comportamento desses materiais com os solos tropicais, com ênfase à compreensão do fenômeno da colmatação. O interesse maior era entender as propriedades dos materiais sintéticos no campo macroscópico e microscópico. Vários equipamentos foram projetados para a realização de pesquisas. (a) (b) Figura 3 – Análise microscópica do geotêxtil exumado do dreno da BR-020: (a) grumos de partículas presos nas fibras do geotêxtil; (b) aglomeração de partículas do solo na manta. Em continuidade ao estudo, iniciou-se outra dissertação de mestrado, intitulada “Comportamento de sistemas solo-geotêxtil em ensaios de filtração sob Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 55 condições severas” (Matheus, 1997), para estudar condições críticas de impregnação dos filtros sintéticos de modo a obter parâmetros que contemplem a situação real da obra e, assim, permitir o desenvolvimento de critérios mais realísticos para projetos com filtros geotêxteis. Alguns resultados obtidos por Matheus (1997) mostram que valores, requeridos por normas, para a permeabilidade do filtro sintético maiores do que dez vezes a permeabilidade do solo são muito severos. A Figura 4 mostra o incremento de poro-pressão (∆uA) na interface entre o solo e o filtro com redução da permeabilidade. Nota-se que, para valores de razão entre a espessura do solo acima do geotêxtil (Ls) e a espessura do geotêxtil (tGT) acima de 1000 e para a medida da razão entre ks/kG igual a 10 (geotêxtil dez vezes a permeabilidade do solo), o incremento de poro-pressão causado pela redução na permeabilidade do geotêxtil é menor que 0.01γwh. Figura 4 – Efeito da permeabilidade do geotêxtil no aumento da poro-pressão na interface solo-geotêxtil (Palmeira & Matheus, 2000). Uma das utilizações mais tradicionais e bem-sucedidas dos geossintéticos é como filtro em sistemas de drenagem de obras de proteção contra erosão em barreiras de sedimentos, onde o geossintético é submetido a carregamento dinâmico (Heibaum et al., 2006). Em 1999, a dissertação de mestrado intitulada “Utilização de geossintéticos no controle de erosões” (Farias, 1999) foi defendida na Pós-graduação em Geotecnia tendo como objetivo principal a compreensão do mecanismo de controle de sedimentos produzidos por erosões usando geotêxteis para alguns solos do Distrito Federal. Ensaios de Filtração da Fração Fina (F3) e ensaios de Razão entre Gradientes (GR) foram executados para análise da interação entre os solos e os geotêxteis. Esse também foi o primeiro estudo sobre a utilização dos geossintéticos para tratamento de processos erosivos. Alguns dos resultados obtidos na pesquisa e uma vista do equipamento para Ensaio F3 são apresentados na Figura 5. 56 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 5 – (a) Resultados de ensaios da fração fina dos solos (F3); (b) vista do equipamento de ensaio. Uma situação crítica de colmatação por cegamento é a filtração de partículas em suspensão. As partículas conduzidas pelo fluxo tendem a se depositar na superfície do geotêxtil, formando uma lâmina de partículas muito finas, às vezes com aberturas de filtração muito inferiores àquelas do filtro sintético. A avaliação do desempenho de sistemas de drenagem com geossintéticos foi efetuada em células experimentais de médio e grande porte de resíduos domésticos construídas no aterro sanitário de Brasília. Os experimentos de grande escala desenvolvidos durante a tese de doutorado intitulada “Análise do comportamento de resíduos sólidos urbanos e sistemas dreno-filtrantes com referência ao aterro do Jóquei Club-DF” (Junqueira, 2000; Junqueira et al., 2006), envolveram a construção de duas células de lixo com cobertura de geomembrana e sistemas de drenagens granular e sintético. O desempenho dos dois sistemas de drenagem foram muito similares, mas a resposta do sistema com geossintético foi mais rápida em relação ao granular com respeito ao volume de percolado, devido ao tempo requerido pela camada granular para estar saturada com o percolado e para conduzi-lo para fora do aterro. Na Figura 6 são apresentados os resultados obtidos para o volume de percolado e a precipitação versus tempo nas duas células experimentais de lixo. Figura 6 – Volume de percolado e precipitação versus tempo em duas células experimentais de lixo. 57 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Ao mesmo tempo, outro trabalho experimental em laboratório, usando permeâmetros de grande porte, gerou a dissertação de mestrado intitulada “Comportamento dreno-filtrante de geossintéticos submetidos ao fluxo de chorume” (Colmanetti, 2000). O objetivo do estudo foi a avaliação do comportamento dos geotêxteis como elemento filtrante em sistemas de drenagem de chorume gerado por resíduos sólidos domésticos. Foram feitos ensaios de permeabilidade a carga constante e monitoramento da vazão ao longo do tempo. Os efeitos da colmatação foram avaliados por meio de análise microscópica e contagem de micro-organismos em amostras de geotêxtil impregnadas durante o ensaio. A Figura 7 (a) e (b) apresentam, respectivamente, alguns resultados e vista dos permeâmetros. (a) (b) Figura 7 – (a) Produção de chorume acumulada, (b) vista dos permeâmetros de grande porte. Em 2004, uma tese de doutorado foi desenvolvida com experimentos de campo e laboratório. Intitulou-se “Estudo do comportamento de sistemas dreno-filtrantes em diferentes escalas em sistema de drenagem de aterro sanitário” (Silva, 2004). Os experimentos de campo foram feitos em duas células de lixo construídas por Junqueira (2000) e dois reservatórios para simulação de condições mais críticas que poderiam ocorrer nas células. Nas Figuras 8(a) e (b), são apresentados um dos resultados obtidos nos ensaios e uma vista de uma dos equipamentos utilizados na pesquisa. (a) (b) Figura 8 – (a) Resultados obtidos; (b) vista do equipamento de permeabilidade. 58 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Farias desenvolveu, em 2004, sua tese de doutorado “Utilização de geossintéticos em sistemas de controle de erosão”, dando continuidade aos estudos iniciados em 1999. Utilizando um equipamento desenvolvido por Ribeiro (2000) para simulação física do processo de formação de aterros hidráulicos com algumas adaptações, foi possível a avaliação do comportamento de sistemas solo-geotêxtil em processos erosivos. Duas obras de controle de voçorocas foram executadas durante a pesquisa, confirmando a efetividade do processo construtivo proposto pela tese. Alguns resultados, assim como uma vista do flume utilizado nos ensaios, são apresentados na Figuras 9(a), (b), (c) e (d). (a) (c) (b) (d) Figura 9 – (a) Desempenho dos geotêxteis virgens na vazão de 1000 cm3/s; (b) altura da lâmina da mistura do solo no canal para vazão de 1000 cm3/s; (c) equipamento usado na pesquisa; (d) detalhe interno do canal de retenção e deposição de sedimentos. Em todos os estudos anteriores, a colmatação do filtro sintético, obtida nos experimentos de campo e laboratório, foi resultado da percolação do percola do do aterro sanitário com os sólidos em suspensão, o que caracteriza uma colmatação física em conjunto com outra biológica. Para o estudo da colmatação biológica somente, desenvolveu-se a tese de doutorado “Estudo da colmatação biológica de sistemas filtro-drenantes sintéticos de obras de disposição de resíduos domésticos urbanos sob condições anaeróbicas” (Remígio, 2006). Um equipamento composto por nove permeâmetros foi construído e três tipos de geotêxteis não tecidos foram analisados. Os resultados dos ensaios mostram que a permeabilidade do filtro de geotêxtil decresce imediatamente nos primeiros Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 59 dias de ensaio, e as análises microscópicas efetuadas mostraram que o geotêxtil se encontrava colmatado após 90 dias de ensaio, devido à formação do biofilme de bactérias na superfície e no interior da manta d geotêxtil. A pesquisa recebeu o prêmio de melhor trabalho científico do periódico no ano de 2009, em um dos mais importantes periódicos da área, que é a revista Geotextiles & Geomembranes. Alguns resultados obtidos na pesquisa e uma vista do equipamento são apresentados nas Figuras 10(a), (b) e (c). (a) (b) (c) Figura 10 – (a) Resultados dos ensaios de colmatação com fluxo de geotêxteis não tecidos; (b) vista do equipamento para ensaios de colmatação; (c) vista do biofilme formado na manta. 3 COMPORTAMENTO DO SISTEMA SOLO-GEOTÊXTIL SOB TENSÃO NORMAL E CONDIÇÕES DE COLMATAÇÃO PARCIAL Nas aplicações específicas em filtração e drenagem, os geotêxteis do tipo não tecidos são os mais utilizados, apresentando como característica estrutural a distribuição aleatórias dos fios ou fibras sintéticas. Tal estrutura é altamente porosa (porosidades superiores a 90% sob condições não confinadas), as dimensões e 60 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB geometrias dos poros são complexas e dependentes do nível de tensões a que são submetidos. A redução da espessura dos geotêxteis, devido a tensões normais atuantes, causa a redução da sua permeabilidade A permeabilidade normal e a permissividade dos geotêxteis não tecidos são significativamente influenciadas pelos níveis de tensões normais e pela presença de partículas presas na matriz do geotêxtil, assim como a sua transmissividade. Nessas condições, a avaliação do comportamento filtro-drenante desses materiais é também complexa e deve incorporar as influências de diferentes fatores, tais como: a colmatação parcial da manta de geotêxtil pelas partículas de solo base durante o processo de instalação, pela compactação e pelo espalhamento do solo ou pelo fluxo durante a vida útil, e principalmente o nível de tensão normal imposto pela obra. Com esse objetivo, o trabalho de pesquisa para a tese de doutorado intitulada “Estudo do comportamento dreno-filtrante de geossintéticos sob tensão” (Gardoni, 2000) foi composto por ensaios de Razão entre Gradientes (GR), permissividade, transmissividade de geotêxteis virgens e exumados em obras e análises microscópicas simulando os níveis de tensões comuns em obras de engenharia, particularmente barragens de rejeito de mineração e grandes pilhas de minério onde ocorrem elevadas tensões de compressão devido a altas densidades dos materiais. Diversos equipamentos foram desenvolvidos para a viabilização da pesquisa na UNB e também na École Politechnique de Montréal e no Geosynthetics Technology Center (SAGEOS), onde a pesquisadora realizou uma parte da pesquisa do doutorado. Um modelo matemático para estimar a transmissividade de geotêxteis não tecidos em função da gramatura do produto foi também desenvolvido durante o estudo. Esse trabalho de pesquisa caracterizou-se como o primeiro no meio científico a considerar a influência de todos os importantes fatores que afetam o comportamento de sistemas dreno-filtrante com geossintéticos. Os resultadados obtidos conduziram a um avanço dos estudos nessa área e à produção de vários artigos em importantes periódicos internacionais, como Geotechnique, Geotextiles and Geomembranes, Geosynthetics International (Palmeira & Gardoni, 2000; Gardoni & Palmeira, 2002; Palmeira & Gardoni, 2002; Palmeira et al., 2005), além de artigos em congressos nacionais e internacionais. Em 2004, o prêmio internacional IGSAward2004 (Contributions to the Study of the Behaviour of Geotextiles in Drainage and Filtration) foi concedido à dupla de pesquisadores pela significativa contribuição ao desenvolvimento e entendimento no uso de geotêxteis como drenos e filtros particularmente para as condições encontradas no continente Latino Americano até aquele momento. Na Figura 11 (a) são apresentados alguns resultados obtidos para a variação da espessura de um geotêxtil não tecido com as tensões normais. O geotêxtil foi submetido a diferentes níveis de impregnação, em laboratório. O nível de impregnação (λ) foi definido como a razão entre a massa de partículas de solo presa dentro do geotêxtil por unidade de área e a massa de fibras de geotêxtil 61 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB por unidade de área. A redução da espessura dos geotêxteis, devido a tensões normais atuantes, causa a redução da sua permeabilidade. Por outro lado, a impregnação da manta de geotêxtil por partículas de solo durante a instalação na obra ou mesmo durante o lançamento e a compactação do solo sobre ele afeta a compressibilidade e a permeabilidade do geotêxtil. Na Figura 11 (b) são apresentados resultados de permeabilidade normal para geotêxteis virgens e colmatados parcialmente sob diversos níveis de impregnação. A presença das partículas de solo tem um elevado efeito no valor da permeabilidade normal, pois ela também influencia consideravelmente o tamanho de abertura de filtração do geotêxtil (a) (b) Figura 11 – (a) Efeitos da impregnação do geotêxtil por partículas de solo em suas propriedades físicas; (b) Permeabilidade normal de geotêxteis para vários valores de impregnação. A análise da transmissividade sob uma ampla faixa de tensões normais efetuadas em geotêxteis não tecidos submetidos a diferentes níveis de impregnação (Gardoni & Palmeira, 1999; Palmeira & Gardoni, 2000a) mostram que a transmissividade pode ser reduzida em duas a três ordens de magnitude para a faixa de tensões normais de 0 a 2000 kPa. Entretanto, por causa da redução na compressibilidade causada pela impregnação do solo, a transmissividade do geotêxtil pode ser pouco afetada pela presença do solo nos seus poros. Alguns resultados são apresentados nas Figuras 12 (a) e (b) e comprovam essa relevante conclusão do estudo. O efeito individual do confinamento e da colmatação parcial do geotêxtil é discutível. Em termos da capacidade de descarga dos geotêxteis não tecidos, enquanto o efeito da tensão normal causou uma redução da compressibilidade, o efeito da colmatação parcial, depois de certo nível de impregnação, mostrou-se benéfico em relação à diminuição do espaço de poros do geotêxtil comprimido. Os resultados apresentados mostraram que a presença das partículas de solo na estrutura do geotêxtil pode afetar de maneira significativa as propriedades físicas (espessura e porosidade), como visto anteriormente, e consequentemente as propriedades hidráulicas do geotêxtil. Até o momento, esses efeitos não são considerados pelas metodologias de projeto correntes de filtros e drenos. 62 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 12 – (a) Comparação entre valores de transmissividade de geotêxteis parcialmente colmatados; (b) grandes partículas de solo presas em amostras exumadas de geotêxtil. (Palmeira & Gardoni, 2000a) Algumas mudanças foram efetuadas no equipamento para ensaios de filtração do tipo Razão entre Gradientes padronizado pela ASTM como uma nova proposta para se avaliar o comportamento do sistema numa região mais próxima possível do filtro e para propiciar a coleta das partículas de solo que atravessam o geotêxtil durante o ensaio, permitindo a análise granulométrica do solo e a verificação dos critérios atuais de projeto. Fannin et al. (1994) definiram uma medida de razão entre gradientes (GRMod) baseada numa medida de gradiente feita em uma conexão localizada a 8 mm (L=8 mm) da superfície do geotêxtil. Gardoni (2000) apresentou uma definição de medida de gradiente (GRL=3mm) usando uma conexão a 3 mm acima do filtro de geotêxtil. Os ensaios foram efetuados sob tensão normal de até 2000 kPa. Os resultados mostram que o valor de GRMod (L=8 mm) e GRL=3mm são mais sensíveis ao aumento das tensões normais, enquanto o valor de GRASTM permanece constante. Essa redução pode ser atribuída a mudanças que estão ocorrendo próximo da interface solo-geotêxtil. Aumentos no nível de tensão podem ter causado por rearranjo de partículas na interface solo-geotêxtil e deslocamento ou expulsão de partículas presas dentro da matriz do geotêxtil (Palmeira & Gardoni, 2000 a, b; Gardoni & Palmeira, 2002; Palmeira et al., 2005). A Figura 13 (a) mostra um dos resultados obtidos no ensaio para o solo residual de quartzito do dreno do DER-DF, e a Figura 13 (b) mostra uma vista do equipamento. Outra relevante contribuição dessa tese de doutorado foi a discussão dos critérios existentes para filtros sintéticos, levando em consideração solos tropicais, comuns no Brasil e em grande parte da América do Sul. Esses solos podem apresentar características de solos internamente instáveis, que apresentam uma granulometria com um patamar entre as frações finas e grossas ou uma curva com a concavidade voltada para cima. São solos susceptíveis à migração interna de partículas finas (sufusão), configurando situações consideradas críticas em sistemas de drenagem com filtros sintéticos. 63 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 13 – (a) Resultados de ensaio de GR para amostra de solo residual de quarzito; (b) vista do equipamento de filtração do tipo GR para tensões normais até 2000 kPa. (Gardoni, 2000) Uma situação problemática para projeto de filtros pode ocorrer também em solos residuais, onde grandes partículas de solo podem ser formadas por concreções de partículas finas. O uso de defloculantes na análise granulométrica do solo pode levar ao aparecimento de maior quantidade de finos, devido à quebra das concreções, do que naquela obtida sem o uso de defloculantes. Os resultados mostraram que a aceitação do geotêxtil pelos critérios de projeto para resultados de granulometria com uso de defloculante dobrou em relação à granulometria sem o defloculante. Nessa situação, torna-se extremamente difícil a escolha de qual curva usar na escolha do critério de projeto. As Figuras 14(a) e (b) apresenta uma análise de microscopia feita em uma amostra de filtro de geotêxtil exumada em um dreno de rodovia, em solo residual de quartzito com 20 anos de vida útil, em Brasília. Como os critérios de filtros são baseados nas dimensões de partículas de solo, a forma como essas dimensões são obtidas é importante para a seleção do filtro de geotêxtil a ser usado no projeto. Em 2004, a dissertação de mestrado “Compatiblidade de sistemas sologeotêxtil em ensaios de filtração sob tensão” (Bessa da Luz, 2004) retornou à investigação do comportamento dos geotêxteis com diferentes tipos de solos em ensaios de filtração do tipo GR sob tensões. Nessa dissertação, foram realizados vários ensaios com rejeito de mineração, visando à avaliação do comportamento do sistema para barragens de rejeito. Os resultados obtidos para o rejeito analisado é apresentado na Figura 15 (a); a granulometria do rejeito que passou pelo geotêxtil e o que ficou retido na amostra após o ensaios são apresentados na Figura 15 (b). Observou-se que grãos maiores do que a abertura de filtração do geotêxtil ficaram retidos na amostra. Os resultados das análises dos ensaios foram publicados em artigo para o periódico Geosynthetics Internacional (Palmeira et al., 2005). 64 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 14 – Análise microscópica do geotêxtil exumado do dreno da BR-020: (a) grumos de partículas presos nas fibras do geotêxtil; (b) aglomeração de partículas do solo na manta (Gardoni & Palmeira, 2002). Nesse mesmo ano, os sistemas extravasores das baias de rejeito fino da Samarco Mineração LTDA entraram em colapso, destruindo todos os diques de separação das baias e causando um prejuízo sem precedentes à empresa. Uma nova dissertação de mestrado estava se iniciando na UNB com o objetivo de estudar sistemas de drenagem em barragens de rejeito. A dissertação, defendida em 2005, intitulada “Comportamento filtro-drenante de geotêxteis em barragens de rejeitos de mineração (Beirigo, 2005), contemplou o estudo da barragem de rejeito fino, a barragem de rejeito granular e a Cava do Germano, todas pertencentes à Unidade Industrial do Germano (UIG) da Samarco Mineração Ltda, e outras duas de mineração de rocha fosfática pertencentes a Fertilizantes Fosfatados S.A. A Figura 16 mostra a planta da mineradora com a localização dos três dispositivos de contenção de rejeitos adotados na UIG: a barragem da Cava do Germano; a barragem do Germano; e as baias de secagem da barragem do Germano. Na Figuras 17 (a), é apresentado o esquema de filtração da barragem do Germano; na Figura 17 (b), é apresentado o esquema das baias de secagem. Esse trabalho de pesquisa contribuiu sobremaneira para o avanço do conhecimento do desempenho de filtros geotêxteis em sistemas de drenagem de barragems de rejeito. Os resultados observados no trabalho indicam a necessidade de melhorias nos critérios de projeto de filtros têxteis existentes para aplicá-los ao caso de rejeitos. Os rejeitos analisados mostraram um comportamento semelhante àquele de solos internamente instáveis, cuja característica de identificação é a curva de distribuição granulométrica com a concavidade voltada para cima (Lafleur et al., 1989). Esses solos estão sujeitos a se autocolmatarem, ou seja, bloqueiam os seus próprios vazios de maneira a dificultar, ou até impedir, a passagem do fluido percolante. Os autores sugerem que o potencial à sufusão seja avaliado em função de parâmetros retirados da distribuição granulométrica dos materiais envolvidos. As Figuras 18(a) e (b) apresenta alguns resultados dos ensaios realizados na pesquisa. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) 65 (b) Figura 15 – (a) resultados de ensaios de GR com rejeito de mineração; (b) análise granulométrica das partículas passantes e retidas no geotêxtil após ensaios de filtração. A pesquisa concluiu, ainda, que a especificação de projeto para a amostra exumada do sistema extravasor rompido não foi seguida, tendo sido constatada a utilização de outro tipo de geotêxtil na obra. Observou-se que a colocação do geotêxtil na parede vertical do dreno não foi feita de maneira a permitir o pleno contato do geotêxtil com o material da caixa de drenagem, permitindo espaços vazios onde se acumularam partículas finas de solos que auxiliaram na colamatação do filtro. A conclusão geral da pesquisa foi de que, ao se estudar o mecanismo de filtração em barragens em geral, deve-se estar atento ao comportamento dos materiais a serem protegidos pelo filtro. Em especial, no caso de rejeitos, a mineralogia, a forma dos grãos e o processo de beneficiamento têm influência direta nos parâmetros considerados nas principais metodologias de avaliação da dispersibilidade e da estabilidade interna desses materiais. A relevância da pesquisa foi reconhecida por meio de duas importantes premiações: uma da Associação Brasileira de Mecânica dos Solos (ABMS), prêmio “Icaray da Silveira”, e a outra da International Geosynthetics Society (IGS) chapter Brasil, prêmio IGS Award 2006, pela melhor dissertação de mestrado no período de 2004 a 2006. O artigo “Tailings-Geotextile Filter Compatibility in Mining Applications” (Palmeira, et al., 2010) será publicado sobre a pesquisa em um número especial sobre mineração da revista Geotextile & Geomembranes em 2010. Figura 16 – Barragem do Germano, da UIG / Samarco (Beirigo, 2005). 66 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 17 – Esquemas dos sistemas de filtração e drenagem dos dispositivos de contenção de rejeitos, da UIG / Samarco: (a) da barragem do Germano; b) das baias de secagem. (a) (b) Figura 18 – Resultados do estudo: (a) análise da instabilidade do solo, (b) variação da razão entre gradientes em função do carregamento aplicado, no sistema SLG2. A transmissividade dos geossintéticos é a propriedade requerida para a função de drenagem, pois está relacionada com a permeabilidade no plano da manta. Em 2007, foi defendida a dissertação de mestrado “Ensaios de transmissividade em geocomposto para drenagem” (Silva, 2007). A pesquisa versou sobre a avaliação da transmissividade de geocompostos, formados pela composição de geo- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 67 têxtil não tecido com georredes, geoespaçadores e materiais alternativos, como tampas de garrafa pet e tiras de pneu. Os resultados obtidos mostraram que os geocompostos de georredes apresentam a maior capacidade de descarga, mas os geocompostos formados com mateial alternativo também apresentam valores significativos de transmissividade e podem ser usados em projetos de menor responsabilidade. Alguns resultados são apresentados na Figura 19 (a), e uma vista geral do equipamento de transmissividade é mostrada na Figura 19 (b). (a) (b) Figura 19 – Resultados da pesquisa: (a) variação da capacidade de descarga versus tensão normal (Silva, 2007). A dissertação de mestrado “Avaliação do desempenho de geossintéticos para a redução da umidade do minério de ferro da Serra de Carajás” iniciou-se em 2008 como parte de uma convênio entre a mineradora VALE e a UFMG, com a participação do professor orientador da dissertação na equipe de pesquisa. O projeto de pesquisa teve por objetivo estudar a utilização de geossintéticos em drenagem dos sistemas transportadores de minério de ferro (trens de carga e correia transportadora) do Complexo minerador da Serra de Carajás, no Pará, pertencente à Companhia Vale, visando à diminuição do teor de umidade do minério. O trabalho de pesquisa foi concluído, e alguns resultados são apresentados nas Figuras 20 (a) e (b). Os resultados obtidos até o momento vêm demonstrando um potencial para a utilização de geossintéticos em sistemas de drenagem associados a vácuo, para reduzir a umidade do minério produzido em Carajás. (a) (b) Figura 20 – (a) Resultado dos ensaios de GR com aplicação de vácuo; (b) vista da mina de Carajás (Ferreira, 2009). 68 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB REFERÊNCIAS Bessa da Luz, D.W. (2004). Compatibilidade de Sistemas Solo-Geotêxtil em Ensaios de Filtração sob Tensão Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 139 p. Beirigo, E.A. (2005). Comportamento Filtro-Drenante de Geotêxteis em Barragens de Rejeitos de Mineração. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 192 p. Colmanetti, J.P. (2000). Comportamento Dreno-Filtrante de Geossintéticos Submetidos ao Fluxo de Chorume. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 126 p. Christopher, B.R.; Holtz, R.D.; Fischer, G.R. (1992). 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Soil Geotextile Filter Interaction under High Stress Level in the Gradient Ratio Test Geosynthetics International, Vol 12, No. 4. 70 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Palmeira, E. M.; Remígio, A.F.N.; Ramos, M.L.G.; Bernardes, R.S. (2008). A study on biological clogging of nonwoven geotextilesunder leachate flow. Geotextile & Geomembranes, Elsevier, v. 26, p 205-219. Remígio, A.F.N. (2006). Estudo da Colmatação Biológica de Sistemas FiltroDrenantes Sintéticos de Obras de Disposição de Resíduos Domésticos Urbanos sob Condições Anaeróbias. Tese (Doutorado em Geotecnia), Publicação Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 134 p. Silva. A.R.L. (2004). Estudo do comportamento de sistemas dreno – filtrantes em diferentes escalas em sistema de drenagem de aterros sanitários. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 329 p. 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Na subárea meio ambiente, faz-se referência à atuação do autor nas áreas de direito e educação. É evidente que mencionar em detalhes sobre cada um desses temas fugiria ao propósito apenas informativo que se busca dar a este capítulo. Outros capítulos deste livro apresentarão em mais detalhes alguns dos pontos aqui abordados segundo a valoração dos respectivos autores. Antes de adentrar na abordagem destes tão variados temas, gostaria aqui, saindo da linguagem impessoal que marca a boa técnica de redação técnicocientífica, de apresentar um breve autorrelato sobre o modo como o autor terminou por trabalhar em assuntos tão variados. O autor teve sua infância e juventude ligadas ao campo, à natureza, na pequena cidade de Uruaçu, em Goiás. Talvez por isso, durante sua trajetória acadêmica, nunca tenha conseguido ater-se apenas a uma linha de pesquisa especificamente. À medida que ia sendo conduzido ou mesmo empurrado para novos temas, aceitava os desafios, os quais sempre foram extremamente enriquecedores. A tendência a muito imposta pelo sistema capitalista parece ser a de um modelo em que o profissional deve ser extremamente especializado, pois isso atende melhor aos interesses da produção. Percebe-se, no entanto, hoje, a necessidade de formação de profissionais com uma visão mais ampla, multidisciplinar, com uma percepção mais abrangente do todo. É possível constatar que, para o entendimento do todo, não é suficiente juntar as partes na multidisciplinaridade. Fazse necessária a interdisciplinaridade, que também se mostra, porém, insuficiente quando a ideia é servir-se dos conhecimentos de outras áreas do conhecimento para a construção de algo novo, daí surgindo a construção transdisciplinar. 72 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A percepção dessas diferentes barreiras, ao longo desses vinte anos de atuação no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, não conduziu o autor ao estágio da atuação transdisciplinar, pelas próprias limitações oriundas de sua formação fragmentada adquirida nos cursos superiores que concluiu (Administração, Engenharia Civil e Direito). Porém, sempre que possível, tem buscado contribuir para a formação de profissionais que consigam atuar transdisciplinarmente ou pelo menos de modo interdisciplinar. O autor destaca, ainda, que considera que muitas contribuições que conseguiu apresentar ao longo de sua trajetória técnico-científica foram de cunho intuitivo, devido, sobretudo, à abertura da mente para a natureza, para a percepção do mundo exterior, para a contínua e ampla reflexão. É interessante a percepção de que, quase sempre na fase inicial do estudo, a intuição é fortemente carregada de empirismo, o qual só depois, com a busca do entendimento, vai assumindo formato de maior embasamento teórico. Este capítulo apresenta a síntese de alguns estudos dos quais o autor participou. Nele são abordados os temas: solos não saturados, solos tropicais, pavimentação, fundações, barragens e meio ambiente. 2 SOLOS NÃO SATURADOS Inicialmente, cabe situar os solos não saturados no contexto dos solos tropicais. A condição não saturada predomina nos solos de regiões tropicais com os quais ou sobre os quais são construídas as obras de engenharia. Isso amplia regionalmente a importância do entendimento do comportamento hidráulico e mecânico do solo nessa condição. No perfil de intemperismo, geralmente o nível freático localiza-se no contato com o solo saprolítico fino ou no contato com a própria rocha sã ou alterada, mas só em condições especiais situa-se no manto profundamente intemperizado. Um exemplo dessa situação especial diz respeito ao solo que sofre influência do nível d’água do lago artificial Paranoá, localizado no Distrito Federal. Nesse caso, a excepcionalidade se dá pelo fato de a água ser oriunda do enchimento do lago e, portanto, ter-se feito presente após o processo de intemperização do manto superficial de solo. Esse caso é particularmente interessante para a discussão do item que se segue e que abordará, mesmo que superficialmente, o tema colapso. Já fica aqui a pergunta: o manto superficial desse perfil de solo, em sendo poroso, com estrutura metaestável, era ou é colapsível? Por encontrar-se em estado saturado, é óbvio que não sofrerá colapso por inundação. Retornando ao centro do tema aqui abordado, o autor começou a atuar de modo mais aprofundado com os solos não saturados em 1981, quando iniciou seu doutorado. A sua tese de doutorado, além de apresentar superfícies de estado limite para um solo compactado não saturado, mostra os primeiros resultados da literatura, indicando que a resistência ao cisalhamento só aumenta com a sucção até um determinado valor desta. Portanto, o φb, definido por Fredlund como o ângulo de atrito correspondente a variação da resistência ao cisalhamen- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 73 to em função da sucção matricial (ua-uw) mantendo-se constante (σ – ua), não seria uma constante conforme proposto inicialmente. As contribuições mais relevantes que serão apresentadas situam-se no campo, pelo menos inicialmente, empírico e foram intuídas na ocasião do pós-doutorado em Geotenia realizado pelo autor na Universidade Laval, em Québec, Canadá. A materialização das ideias se deu em seguida com a enriquecedora participação de pesquisadores como Serge Leroueil e José Henrique Feitosa Pereira. A este último o autor é particularmente grato, por sempre ter acreditado em suas ideias e delas compartilhado, seja em pesquisa, seja quando da apresentação de solução de engenharia para casos práticos de obra. Trabalhando sobre sua tese e resultados da literatura durante o pós-doutorado, o autor constatou que, transformando-se a sucção em pF (pF é o logaritmo da sucção matricial (ua-uw) em centímetros de coluna de água) pelo índice de vazios (e) do solo e traçando-se a curva e.pF x Sr (Sr, grau de saturação), as curvas originalmente distintas obtidas para os diferentes índices de vazios assumiam uma única tendência, como ilustram os resultados da Figura 1 (Camapum de Carvalho & Leroueil, 2004). Figura 1 – Curvas características e curvas características transformadas em relação a “e”. Ainda trabalhando sobre a influência do índice de vazios no comportamento dos solos não saturados, Camapum de Carvalho & Pereira (2001), Camapum de Carvalho & Pereira (2002) e Camapum de Carvalho et al. (2002) mostraram que, dependendo de como varia o comportamento mecânico com o índice de vazios, se o parâmetro aumenta (por exemplo, o colapso) ou diminui (por exemplo, a coesão devida à sucção), respectivamente, a transformação ou a normalização da sucção em pF pelo índice de vazios conduzem a uma tendência única de comportamento do solo. A Figura 2d (Camapum de Carvalho et al., 2002) ilustra esse comportamento em relação ao colapso por inundação (Rw) de um solo agregado profundamente intemperizado, e a Figura 3b em relação à coesão (Camapum de Carvalho & Pereira, 2001). Observa-se, na Figura 2a, que o colapso por inundação relaciona-se mal com a sucção. O mesmo pode ser observado em relação ao índice de vazios global (Figura 2b). Ao se considerar o índice de 74 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB vazios interagregado, observa-se uma melhor distribuição dos pontos (Figura 2c), mas o comportamento só assume tendência única quando se transforma a sucção em pF em relação ao índice de vazios. (a) (b) (c) (d) Figura 2 – Colapso em um perfil de solo profundamente intemperizado. (a) (b) Figura 3 – Influência da sucção e do índice de vazios na coesão de um solo intemperizado. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 75 Essas propostas foram, no entanto, questionadas em eventos técnicos quanto à sua validade para os solos residuais. Cabe separar dois tipos de solo: o pouco intemperizado, para o qual a origem guarda relação com o comportamento, e o profundamente intemperizado, cujo comportamento praticamente já não tem elo com a origem, ou seja, as alterações químico-mineralógicas e estruturais desse solo romperam o vínculo com a sua gênese. Para responder aos questionamentos, primeiro se definiram modelos de comportamento das curvas características segundo o tipo e a estrutura do solo (Figura 4). Nessa figura, a curva I é característica de solos pouco intemperizados. A curva II representa a curva característica bimodal comum nos solos tropicais profundamente intemperizados, a qual também é verificada para os solos compactados em laboratório, principalmente no ramo seco da curva de compactação. A curva III representa o comportamento de materiais que fluem ou que apresentam variação de volume no próprio mineral, como é o caso, respectivamente, da misturas solo-emulsão e dos solos expansivos. Camapum de Carvalho et al. (2002a e 2002b), mostraram, respectivamente, que, considerando-se a distribuição de poros pertinente, tanto a curva característica (Figura 5), como o comportamento (Figura 2) se ajustam ao modelo proposto no caso dos solos profundamente intemperizados. Campos et al. (2008) mostraram que também os solos residuais pouco intemperizados e os solos expansivos apresentam curvas características que se ajustam ao modelo proposto por Camapum de Carvalho & Leroueil (2004). Para os solos expansivos, é necessário que se leve em conta somente os vazios do solo. Nesses solos, a variação de volume global tanto na expansão como na retração corresponde à variação dos vazios presentes no solo mais a variação volumétrica oriunda da mudança da distância interplanar basal. Mas, geralmente, não se faz essa distinção, e consideram-se os vazios globais. Figura 4 – Modelos de curva característica. 76 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 5 – Curvas características de um perfil de intemperismo. Finalmente, cabe destacar que, quando se aumenta a sucção matricial atuante no solo, a estabilização das variações volumétricas é mero reflexo da limitação no sistema de medidas adotado, pois, no solo, ocorrem deformações volumétricas semelhantes àquelas oriundas da consolidação secundária que surgem quando da aplicação de uma tensão externa. Assim, por exemplo, quando se atinge, após certo tempo de ensaio, a estabilização do peso de um corpo-deprova submetido a uma determinada pressão de ar na técnica de determinação da curva característica pela translação de eixos, essa estabilização apenas reflete o nível de precisão da balança. Como na deformação secundária, as variações volumétricas devidas à atuação de uma sucção constante se darão, em princípio, linearmente com o tempo em escala logarítmica, pois o que muda aqui em relação ao adensamento secundário é o tipo de energia aplicada ao solo, sendo os efeitos semelhantes nos dois casos. Cabe destacar, no entanto, que, devido à susceptibilidade da sucção às variações climáticas, a sua estabilidade no campo, diferentemente do que ocorre com uma tensão externa aplicada ao solo, não terá lugar, surgindo uma nova preocupação: a da fadiga induzida por variações alternadas de sucção. Esse aspecto ainda é pouco estudado nos dias atuais e se relaciona ao efeito secundário da sucção na deformação. Com as mudanças climáticas, alteram-se os limites da sucção matricial atuante no solo, o que faz surgir a necessidade de mais estudos. Considera-se, portanto, que as contribuições apresentadas pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia são fundamentais para o entendimento do comportamento dos solos não saturados e, em especial, dos solos tropicais. 3 SOLOS TROPICAIS Os estudos do autor sobre solos tropicais tiveram início ainda em seu mestrado cursado na Universidade Federal da Paraíba, quando estudou a “influência das energias térmica e mecânica em propriedades de engenharia selecionadas de alguns solos lateríticos do Norte e Nordeste do Brasil” (Camapum de Carvalho, Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 77 1981). Na Universidade de Brasília, iniciou suas pesquisas sobre solos tropicais orientando alunos de graduação sobre o tema colapso (Nunes, 1986). Nos últimos vinte anos, atuando no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, o autor conduziu várias pesquisas envolvendo os solos tropicais. Esses estudos, na maioria das vezes, constituíram parte integrante de outras linhas de pesquisa, como barragens, erosões, fundações e pavimentação. Os estudos específicos versaram sobre colapso (Cardoso, 1995; Araki, 1997) e sobre as propriedades físico-químicas e estruturais dos solos do Distrito Federal (Cardoso, 2002). As análises físico-químicas, mineralógicas e estruturais realizadas para os solos do Distrito Federal conduziram a um entendimento mais completo da dinâmica do colapso nos solos tropicais – colapso com reflexos em diferentes tipos de obras. As pesquisas realizadas permitiram a definição dos modelos de evolução químico-mineralógica e micromorfológica dos solos colapsíveis do Distrito Federal (Cardoso, 1995). Araki (1997) mostrou que as correlações empíricas e semiempíricas aplicadas à análise do colapso e oriundas de estudos realizados em outras regiões não devem nem podem ser utilizadas sem que ocorra a validação regional. O entendimento sobre o colapso passa pelo entendimento da microestrutura do solo. A Figura 6 mostra a microestrutura de duas amostras de solo coletadas no perfil de intemperismo situado no campo experimental de Geotecnia da Universidade de Brasília. A Figura 6a corresponde à estrutura porosa colapsível do solo coletado a 2m de profundidade, e a Figura 6b corresponde à estrutura não colapsível do solo saprolítico coletado a 10 m de profundidade. As Figuras 6c e 6d correspondem a ampliações de imagem nos dois solos respectivamente. (a) (b) (c) (d) Figura 6 – Microestrutura de solos do Distrito Federal. 78 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Observa-se, na Figura 6a, a presença de agregados e macroporos caracterizando a estrutura do solo. Os agregados, por sua vez (Figura 6c), correspondem à aglomeração de partículas de silte, argila e óxi-hidróxidos de ferro e alumínio e apresentam microporos em seu interior, conectados ou não com os macroporos existentes entre os agregados. Portanto, esses solos apresentam geralmente porosidade bimodal, distribuindo-se em macro e microporos. Já os solos saprolíticos apresentam distribuição de poros uniforme ou bem graduada e são, pelas características estruturais, não colapsíveis. A comparação entre as Figuras 6c e 6d, obtidas respectivamente para um agregado presente no solo profundamente intemperizado (colapsível) e para o solo pouco intemperizado (solo saprolítico fino não colapsível), com aproximadamente o mesmo aumento, dá uma ideia da quantidade de partículas presentes no agregado. O colapso pode ser entendido como uma característica de metaestabilidade estrutural do solo e, como tal, ocorre em função: – da variação da energia externa atuante no solo, como, por exemplo, aumento da tensão aplicada e/ou aplicação de energia vibratória; – da variação da energia interna atuante no solo, como, por exemplo, redução da sucção presente no solo e/ou rotação no eixo de tensões principais atuantes; – da alteração da química do meio, o que, além de afetar as forças interpartículas, pode atacar os cimentos eventualmente presentes no solo. O grau de metaestabilidade estrutural do solo é definido, dentre outros, pela distribuição dos poros, pelo grau de saturação, pelo nível de cimentação em que se encontra. São essas características que definem o grau e o modo como se dá o colapso. Assim, por exemplo, se o solo é formado por grãos de quartzo cimentados por pontes de argila de mesma mineralogia e porosidade, o colapso por aumento de umidade será rápido e proporcional ao volume de vazios do solo. No entanto, se a junção entre esses grãos de quartzo se der pela presença de um cimento, a ocorrência e velocidade com que se dará o colapso vão depender do ataque a esse cimento, embora o recalque ao final deva vir a ser o mesmo. Supondo agora um solo cuja estrutura é semelhante à mostrada na Figura 6a, ao se aumentar a tensão externa nele aplicada, gerar-se-á de imediato um colapso proporcional ao aumento dessa tensão e à macroporosidade que o caracteriza. No entanto, se em lugar do aumento de tensões se provocar um aumento de umidade do solo, o colapso tenderá a ocorrer em velocidade e intensidade proporcionais às reduções de sucção oriundas desse aumento da umidade. Analisando ainda outra situação em que se realiza no maciço de solo a escavação de um túnel, ter-se-á, em consequência deste, a rotação do eixo de tensões principais, e esta poderá provocar o colapso estrutural do solo em velocidade e intensidade proporcional ao modo como se dá a escavação do túnel. É preciso entender, no entanto, que a ocorrência desse colapso só se dará no caso em que, devido às condições de drenagem na fase de formação do solo, tiver ocorrido maior lixiviação na direção vertical, pois, nesse caso, verticalmente o solo estará Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 79 menos cimentado e será, portanto, menos resistente, não suportando o aumento da tensão horizontal. Vê-se, portanto, que o fenômeno do colapso não pode ser tratado apenas como recalques oriundos de aumentos de umidade ou tensões externas aplicadas ao solo. Para evitar erro na avaliação da colapsibilidade do solo, Camapum de Carvalho et al. (2009) propuseram um método de avaliação do potencial de colapso total do solo. O método não objetiva definir o grau ou a velocidade de colapso que ocorrerá em um determinado caso específico, mas apenas definir o colapso que ocorreria nas condições mais críticas possíveis. Segundo o método proposto, a partir da curva de adensamento obtida para um ensaio oedométrico realizado na condição inundada, traça-se uma segunda curva, deduzindo-se daquela o recalque imediato acumulado obtido nos primeiros 15” decorridos da aplicação de cada estágio de carga (Figura 7). A diferença entre as duas curvas estabelece o potencial máximo de colapso do solo por carga e inundação conjuntamente. A normalização do índice de vazios mostrada na Figura 7 não é necessária na análise de um caso real. Ela objetivou apenas facilitar a visualização da importância do colapso em solos como o mostrado na Figura 6a. Figura 7 – Modelo de previsão de colapso global, solo da Figura 6a. Ainda sobre o tema solos tropicais cabe destaque às contribuições para o entendimento do comportamento mecânico dos solos profundamente intemperizados no que diz respeito aos parâmetros de resistência. Além dos aspectos relativos à coesão desses solos quando não saturados, já abordados no item 2, Camapum de Carvalho & Gitirana (2005) mostraram, com base nos resultados oriundos de experimentos realizados usando esferas de vidro, que os valores elevados de ângulo de atrito obtidos para esses solos, quando submetidos ao ensaio de cisalhamento direto, são devidos a erros na avaliação da superfície de ruptura real durante o ensaio. Esses solos, quando submetidos a elevadas sucções, apresentam concreções muito resistentes. Por serem geralmente porosos, com o aumento da tensão confinante, ocorre o colapso estrutural. Além disso, essas 80 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB concreções se inserem no plano de ruptura, fazendo com que, durante o ensaio, a superfície de cisalhamento as contorne, aumentando a força cisalhante. Como a tensão cisalhante nesse ensaio é calculada considerando-se uma superfície plana, tem-se o seu aumento artificial e, por consequência, o do ângulo de atrito do solo. Portanto, o aumento do ângulo de atrito desses solos com o crescimento da sucção, geralmente, deve-se a esse erro de avaliação da superfície real de ruptura e não diretamente do aumento da sucção. Quanto à compactação dos solos tropicais, Pessoa (2004) mostrou que a técnica de preparação de amostras, compreendendo a secagem e o destorroamento, afeta o resultado da compactação, podendo resultar em erro de avaliação do comportamento do solo in situ (Figura 8). Figura 8 – Influência da pré-secagem e destorroamento na compactação do solo. Ainda estudando o comportamento dos solos tropicais, o autor deste capítulo atuou, na qualidade de co-orientador, na análise de perfis de intemperismo de solos de Medellín na Colômbia. Nos estudos, analisaram-se as propriedades físico-químicas, mineralógicas e estruturais e o comportamento mecânico de solos residuais intemperizados (Gozález, 2005; Ramirez, 2005). Finalmente, cabe destaque aos estudos realizados por Oliveira (2007), que, por meio do estudo de entulhos de construção para uso em estruturas de pavimento, pôde verificar a necessidade de se separarem as fases de macroporos e microporos para que se entenda o comportamento dos materiais agregados, como é o caso dos entulhos de construção e dos cascalhos lateríticos. 4 PAVIMENTAÇÃO No Brasil, existe uma relação direta entre os materiais utilizados e a durabilidade das estruturas de pavimento. A qualidade dos materiais utilizados Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 81 está, muitas vezes, ligada aos custos e às limitações ambientais que são impostas; outras vezes, é condicionada à falta de materiais apropriados na região. Buscando atacar os dois problemas, a questão ambiental e a inexistência de materiais apropriados em certas regiões, o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia vem estudando o uso de resíduos sólidos da construção civil e da mineração e a melhoria do comportamento mecânico dos solos finos por meio da estabilização química e da inclusão de fibras. O primeiro aspecto é objeto de outro capítulo deste livro; sobre o segundo serão aqui feitos alguns breves comentários. Antes de abordar o tema relativo ao uso de solos finos em pavimentação, cabe destacar que o autor deste capítulo começou a estudar o tema pavimentação ao orientar a dissertação de mestrado de Paolucci (1994), que analisou estruturas de pavimentos flexíveis da cidade de Uruaçu, GO. Os estudos por ele conduzidos têm se voltado para análises de alternativas de materiais para base e sub-base de pavimentos rodoviários. Além desse escopo, apenas uma dissertação de mestrado (Oliveira, 2003) e uma tese de doutorado (Moizinho, 2007) foram orientadas pelo autor deste capítulo. Uma dissertação versou sobre misturas para pavimentos drenantes; a outra analisou a possibilidade de uso de agregados e fíler laterítico em revestimentos asfálticos. Os estudos sobre o uso de solos finos aplicados à construção de bases e de sub-bases rodoviárias foram objeto, no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, de quatro dissertações de mestrado (Rezende, 1999; Delgado, 2002; Pessoa, 2004; Bento, 2006) e duas teses de doutorado (Rezende, 2003; Delgado, 2007), além de duas outras que se encontram em andamento. Os estudos versaram inicialmente sobre estabilização granulométrica e química e sobre o uso de geossintéticos como elementos e camadas de reforço. A Figura 9 (Delgado, 2007) mostra que a influência da compactação e do aditivo químico na estrutura e, portanto, na curva característica do solo depende no nível de intemperização pelo qual passou e, por consequência, de sua composição química e mineralógica. A Figura 9a mostra que o solo profundamente intemperizado (solo HB11), quando compactado no ramo seco, tende a preservar sua estrutura de agregado, a qual geralmente tem comportamento colapsível. Essa estrutura tende a desaparecer com o aumento do teor de umidade de compactação. Porém, quando o solo é pouco intemperizado (Figura 9c, solo SF4), tal influência da umidade de compactação desaparece, pois a estrutura do solo natural não se encontra agregada. Ao se considerar o efeito da estabilização química nas curvas características desses solos, a Figura 9b mostra que a cal, no caso de seu uso como aditivo químico, inicialmente atua para baixos teores (2%), desagregando o solo profundamente intemperizado (solo HB11) e voltando a agregá-lo para teores mais elevados (6%) (Figura 9b). Já no solo pouco intemperizado, a cal, para os dois teores estudados, praticamente não afetou a curva característica, o que não significa que não tenha atuado na estabilização do solo. 82 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB a) Curvas características compactadas em diferentes umidades – solo HB11. b) Curvas características do solo HB11 natural e estabilizado. c) Curvas características compactadas em diferentes umidades – solo SF4. d) Curvas características do solo SF4 natural e estabilizado. Figura 9 – Influência da umidade de compactação na forma da curva característica. Quanto à influência do tratamento químico no comportamento mecânico, Delgado (2007) mostra (Figura 10) a resistência à penetração do cone (Ec), plotada em função da sucção em pF normalizada em relação ao índice de vazios. No caso do solo profundamente intemperizado (Figura 10a, solo HB11) o acréscimo de 2% e 4% de cal, ao gerar a desagregação do solo, provocou uma piora em seu comportamento mecânico. Porém, com o aumento desse teor para 6%, ocorreu reestruturação, conferindo ao solo, conjuntamente com os efeitos cimentantes da estabilização, uma melhoria no comportamento mecânico. No solo pouco intemperizado (solo SF4), o tratamento químico apresentou tendência semelhante (Figura 10b), gerando, para os menores teores de cal, uma piora significativa do comportamento e tendendo a melhorá-la em seguida ao se adicionarem 6% de cal, sem que, no entanto, se chegasse a atingir o comportamento do solo não tratado. Acredita-se, no entanto, que, no caso do solo pouco intemperizado, a influência inicial da cal estaria restrita a alterações nas forças de atração e repulsão presentes no solo e à destruição dos pacotes de argila nele presentes, só dando margem à cimentação em uma segunda etapa, quando se adicionaram Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 83 6% de cal. Esses resultados mostram, portanto, que a estabilização química dos solos tropicais deve passar por um criterioso estudo sobre o grau de alteração do solo, sendo sempre recomendável o estudo em perfil, dado o modo como atua o intemperismo na transformação químico-mineralógica. Variação do Ec x pF/e, para o solo HB11 compactado na umidade ótima e estabilizado. Variação do Ec x pF/e, para o solo SF4 compactado na umidade ótima e estabilizado. (a) (b) Figura 10 – Influência da estabilização química no comportamento mecânico do solo. Os resultados satisfatórios e a consolidação da experiência sobre a estabilização de solos finos do Distrito Federal, com várias publicações e discussões nos eventos nacionais, fez com que o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB fosse procurado pela equipe da Petrobrás em Urucu, Estado do Amazonas, para que se estudasse uma solução para a construção rodoviária na região. O desafio foi aceito. Além de várias contribuições técnicas sobre os projetos em andamento, em 2004, Pessoa defendeu sua dissertação de mestrado versando sobre a estabilização química e granulométrica dos solos da região de Urucu. No entanto, a técnica não resolvia em definitivo o problema, pois variações significativas de sucção no solo terminavam por induzir o aparecimento de trincas transversais e longitudinais na estrutura de pavimento. Destaca-se que em Urucu, a exemplo de grande parte da Região Amazônica, o revestimento é feito em Areia Asfalto Usinada a Quente (AAUQ), por absoluta falta de agregados. Buscou-se, então, com base nas hipóteses e nos estudos iniciais apresentados por Camapum de Carvalho (2006) e Camapum de Carvalho & Gitirana (2006), estudar a alternativa da incorporação de fibras ao solo e ao revestimento. É importante destacar que o entendimento do problema se deu mais de três anos após o início dos estudos, na ocasião de uma visita técnica de campo a Urucu. 84 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A Figura 11 apresenta ilustrações das observações efetuadas durante essa visita e coloca em evidência o efeito degradador da sucção no revestimento asfáltico, gerando trincas localizadas no campo (Figura 11a) e em laboratório (Figura 11b) e trincas transversais (Figura 11c) e longitudinais (Figura 11d) sobre a pista. Bento (2006) mostrou, em sua dissertação de mestrado, o papel relevante das fibras incorporadas ao solo e à AAUQ. (a) (b) (c) (d) Figura 11 – AAUQ degradado por ação da sucção. Ainda buscando solucionar o problema da falta de agregados na Região Amazônica, Santos (2007) estudou, em sua dissertação de mestrado, o uso de argila calcinada como agregado em misturas betuminosas, mostrando ser essa uma opção tecnicamente viável para uso em revestimentos betuminosos regionais. Essa dissertação foi co-orientada pela Professora Consuelo Alves da Frota, da Universidade Federal do Amazonas. Já Moizinho (2007) estudou a laterita como agregado e os seus finos oriundos da britagem como componentes da misturas betuminosas usinadas a quente (CBUQ). Esse estudo será objeto do Capítulo 7 deste livro. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 85 5 FUNDAÇÕES Os estudos do autor sobre fundações tiveram início em 1989. Na época, dada a natureza colapsível do manto de intemperismo que recobre a quase totalidade do território do Distrito Federal, buscava-se uma solução para fundações profundas submetidas a pequenos carregamentos verticais limitados a 500 kN. Como alternativa, optou-se por estudar o que se intitulou solo cimento plástico, que correspondia a um solo cimento autoadensável. Cortopassi (1989) desenvolveu, então, o seu projeto de final de curso sobre o tema, em que estudou um solo argiloso, um solo arenoso e um cascalho laterítico. Como contribuição desse trabalho, destaca-se a definição de uma metodologia de controle para esse tipo de material estabilizado, sendo adotado como critério o teor de umidade correspondente ao limite de liquidez determinado pelo método do cone. Cortopassi (1989) mostrou, ainda, que, nos cascalhos lateríticos, pode ocorrer a queda da resistência para tempos de cura superiores a 28 dias. Segundo esse estudo, isso ocorre devido ao fato de que, em se tratando de um solo-cimento plástico e, portanto, inicialmente muito úmido, com o tempo a água penetra nas concreções, tornando-as menos resistentes que a própria cimentação formada, fazendo com que a resistência caia. Ainda no que concerne à metodologia, em campo, devido à corrosão do aço quando inserido no solo-cimento, optou-se por substituir o solo-cimento por concreto armado no segmento inicial de 1,5m contado da cota de arrasamento. Esse trecho inicial contém as esperas para receber o bloco de coroamento. Mundim (1990) deu continuidade a esses estudos em seu projeto de final de curso. Buscando reduzir o teor de umidade de preparação do solo-cimento, Janota (1992) estudou a incorporação de aditivos plastificantes, concluindo serem eles, para os teores testados, pouco eficientes na melhoria da trabalhabilidade. Nas misturas efetuadas, o solo argiloso apresentou perda de resistência, e o cascalho laterítico só apresentou algum ganho quando tratado com o aditivo plastimentVZ. O estudo do tema no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília teve início com a dissertação de mestrado de Silva (1992), que realizou estudos de aderência entre o solo-cimento e o solo e entre o microconcreto e o solo, em ambos os casos por meio de ensaios de cisalhamento direto. Utilizou também em seu estudo o modelo físico projetado pelo autor deste capítulo conjuntamente com o técnico Alain Nardone, do Laboratório de Ponts et Chaussées de Toulouse, França. O modelo fora construído e testado por Quezado (1993), para estudar a interação solo-estrutura de fundação. Destacase que esse modelo foi reprojetado pelos mesmos autores de modo a incluir o confinamento vertical do solo circundante. Esse novo modelo foi testado por Ribeiro (1999), que colocou em destaque a influência do grau de saturação no comportamento da interface solo-estrutura. 86 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Silva (1992) concluiu que, para a aderência determinada no ensaio de cisalhamento direto, o solo-cimento comportou-se de modo semelhante ao microconcreto. No entanto, devido à menor rigidez do solo-cimento em relação ao concreto, a interação solo-cimento/solo, determinada no modelo físico simulando a situação de campo, foi muito superior. Como o manto poroso profundamente intemperizado atinge, no Distrito Federal, profundidades muito elevadas, estudou-se ainda, utilizando-se o mesmo modelo físico, o comportamento de fundações flutuantes em relação ao daquelas com ponta assente em material pouco deformável. Os resultados obtidos mostraram-se dependentes da tensão confinante. Para valores pequenos, o atrito lateral foi melhor para as fundações com ponta, ocorrendo o oposto para elevadas tensões confinantes. Destaca-se, ainda, que o elemento estrutural em solo-cimento suporta maiores deslocamentos que o concreto antes de romper na interface. Silva (1992) concluiu que o solo-cimento apresentava várias vantagens em relação ao concreto quando utilizado para pequenos carregamentos, cabendo destaque à possibilidade de se compatibilizar a resistência estrutural com a capacidade de suporte do solo de fundação. Com base nesses resultados de laboratório, Silva (1994) estudou, em sua dissertação de mestrado, o comportamento de estacas em solo-cimento objetivando a sua aplicação em casas e edifícios. A autora concluiu pela validade da técnica como opção de baixo custo e verificou que o comportamento obtido era compatível com aquele estimado a partir do modelo físico. As pesquisas sobre solo-cimento plástico resultaram, na década de noventa, na construção de edifícios de até quatro pavimentos usando essa técnica. Até o presente, esses edifícios não apresentaram qualquer anomalia de comportamento, e a tecnologia desenvolvida continua como uma opção de baixo custo para fundações profundas submetidas a pequenos carregamentos verticais. Paralelamente a esses estudos sobre o uso do solo-cimento plástico em fundações profundas, foi desenvolvida a dissertação de mestrado de Rocha (1992), versando sobre o comportamento de estruturas rígidas submetidas a esforços horizontais. A pesquisa objetivou atender à demanda regional referente à necessidade de entendimento da estabilidade das torres de linhas de transmissão assentes em fundações profundas, quando o solo suporte é constituído por manto de intemperismo. Em uma segunda fase, o autor deste capítulo passou a atuar orientando projetos de final de curso e dissertações de mestrado, buscando o entendimento das diferentes técnicas de execução de fundações profundas no Distrito Federal e a verificação dos métodos semiempíricos quanto à exatidão na previsão das cargas de trabalho. A Tabela 1 apresenta as características das estacas ensaiadas por Rodrigues et al. (1998). Observa-se, na tabela, que as estacas ensaiadas nesse estudo no campo experimental do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia apresentavam aproximadamente os mesmos diâmetros e comprimentos, diferenciando-se apenas quanto à técnica com que foram executadas. 87 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 1 – Características das estacas ensaiadas (Rodrigues et al., 1998). Tipo de Estaca Strauss “sem camisa” não apiloada (E1) Strauss “com camisa” apiloada (E2) Strauss “com camisa” não apiloada (E3) Pré-moldada de concreto (E4) Escavada a trado mecânico (E5) Escavada a trado manual (E6) Escavada a trado mecânico e concreto aditivado com expansor1 (E7) 1 Comprimento (m) 8,25 8,90 8,10 8,20 7,90 7,90 Diâmetro (m) 0,32 0,32 0,32 0,33 0,30 0,30 8,40 0,30 Expansor INTRAPLAST N da SIKA na proporção de 1% do peso do cimento. Apesar de geometrias semelhantes, os resultados mostrados na Figura 12 indicam que a capacidade de carga das estacas executadas no manto de intemperismo do Distrito Federal depende da técnica adotada na execução da fundação (Rodrigues et al., 1998). Com base nesses resultados, chegou-se a propor (Rodrigues et al., 1998) ajustes nas equações de capacidade de carga propostas por Aoki & Velloso (1975) e Decourt & Quaresma (1978), de modo a adaptá-las aos solos regionais. No momento, no entanto, o autor deste capítulo, por considerar que as propostas empíricas e semiempíricas têm fundo intuitivo e, como tais, geralmente não contêm erro, propõe que em lugar dos ajustes se busque melhor entendimento quando os resultados destas equações fogem ao esperado. Figura 12 – Resultado das provas de cargas das estacas ensaiadas (Rodrigues et al., 1998). 88 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB No caso em questão, o que afeta o resultado é, sobretudo, a alteração do grau de saturação e da estrutura do solo em função da técnica de execução das estacas. Chama-se à atenção o fato de que, contrariamente ao que se poderia esperar, o pior comportamento foi obtido para a estaca pré-moldada. Cabe aqui uma explicação para esse comportamento. Nos solos argilosos, a resistência é, em grande parte, fruto da coesão oriunda da estrutura cimentada, seja por pontes de argila, seja por óxi-hidróxidos de ferro e alumínio. A quebra dessas ligações ou seus enfraquecimentos gerados pelo aumento de umidade fazem com que a ruptura estrutural do solo provoque sua perda de capacidade de carga. Em um solo arenoso, isso provavelmente não ocorreria, pois a densificação daria origem à melhoria da resistência e, portanto, da capacidade de carga. Sendo os ensaios de campo, por exemplo SPT ou cone, realizados em estação climática distinta daquela em que é executada a prova de carga, o resultado previsto nos cálculos pelos métodos semiempíricos só corresponderão aos das provas de carga se realizados em solos saturados ou pouco sensíveis à presença de água. Logo, no caso em discussão, não se deveria pensar na alteração dos coeficientes da equação, mas, sim, em algum modo de se incorporar a influência da sucção e da sazonalidade na avaliação da capacidade de carga da fundação. Anjos (2003) mostrou ser isso possível de modo bastante simples, analisandose os resultados de provas de carga em função dos índices de umidade (IHU), determinados com base nas taxas de infiltração e de evaporação regionais (Figura 13). Esse entendimento do efeito da sucção na interação solo-estrutura de fundação é de grande importância, pois aponta para a necessidade de se levar em conta o período em que foram realizados os ensaios utilizados na estimativa da capacidade de carga das fundações, algo que geralmente não é feito. Figura 13 – Relação entre o índice de umidade (IHU) e os resultados de provas de carga (Anjos, 2003, modificado). Cabe destaque, aqui, às contribuições apresentadas por Guimarães (2002) para o entendimento da influência do recarregamento na capacidade de car- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 89 ga de estacas implantadas em perfis de solos intemperizados. Suas análises se fundamentam em ensaios de cisalhamento direto com ciclos de carregamento, descarregamento e carregamento em sentido contrário. Ele apresenta ainda um vasto estudo sobre o ensaio SPT-T e faz uma proposição para a estimativa de ko a partir do ensaio SPT-T, considerando-se o ângulo de atrito metal-solo determinado em ensaios de cisalhamento direto. Mais recentemente, as pesquisas do autor na área de fundações têm seguido duas orientações: obter métodos simples e precisos que levem à separação das contribuições de ponta e total nos resultados oriundos de provas de carga não instrumentadas e avaliar a capacidade de carga de estacas hélice contínua durante o processo de execução com base no próprio perfil de torque gerado. Ambos os temas já são objeto do Capítulo 16 deste livro. Cabe apenas salientar que a tecnologia oriunda das pesquisas sobre esse segundo tema já está sendo transferida para as empresas de engenharia regionais, possibilitando maior segurança e economia nas obras. 6 BARRAGENS Os estudos na área de barragem têm sido conduzidos em parceria com Furnas Centrais Elétricas S.A. e têm contado com a participação do Prof. Márcio Munis de Farias. Os objetivos dos estudos têm sido: buscar alternativas de materiais impermeabilizantes para a construção de barragens e melhorar as técnicas de controle construtivo. No que tange ao primeiro objetivo, três direções foram assumidas: estudar o uso de solos residuais jovens na construção de barragens de terra e enrocamento; estudar a melhoria de solos para uso em núcleos de barragens de terra e enrocamento Jacintho (2005); estudar o concreto betuminoso como alternativa de impermeabilização nesse mesmo tipo de empreendimento (Falcão, 2003). Quanto ao segundo objetivo, foi estudado o uso do dilatômetro de Marchetti (DMT) como instrumento de controle da compactação de barragens de terra (Queiroz, 2008), mostrando-se os resultados bastante promissores. Os conteúdos dessas dissertações se encontram disponíveis no Site do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. No que tange ao estudo do comportamento de solos residuais jovens para uso em barragens, apresenta-se aqui, a título de ilustração, resultados que mostram a influência do peso específico dos grãos na compactação do solo usado na Barragem de Manso (Figura 14). Esses resultados evidenciam a necessidade de se considerar o perfil de intemperismo na exploração das áreas de empréstimo, objetivando evitar surpresas quando da compactação in situ. Os resultados mostrados na Figura 15 indicam, ainda, que a quebra da estrutura desses solos residuais jovens afeta a plasticidade, intervindo, por consequência, em seu comportamento. 90 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 14 – Influência do peso específico dos sólidos na umidade ótima e no índice de vazios do solo compactado na energia Proctor Normal. Figura 15 – Influência do destorroamento de um solo residual jovem em seu limite de liquidez. 7 MEIO AMBIENTE No que concerne ao meio ambiente, os estudos conduzidos pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília tiveram por foco central o entendimento, a prevenção, o controle e a recuperação de áreas degradadas. No entanto, os estudos realizados no Programa, em especial pelo autor deste capítulo, terminaram ampliando o seu escopo para uma atuação mais abrangente no tema meio ambiente, indo desde a educação ambiental até aspectos ligados ao Direito, mas quase sempre gravitando em torno do tema central erosão. As pesquisas realizadas, embora mais voltadas para problemas do Distrito Federal, têm conteúdos com alcance nacional e internacional. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 91 Sobre o tema central erosão, serão aqui abordadas apenas algumas contribuições relevantes a título ilustrativo. A primeira dissertação sobre o tema defendida no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília foi elaborada pelo Engenheiro José Augusto Fácio, que, atuando na Administração Pública, buscava o entendimento e a solução para os problemas de erosão no Distrito Federal. Sua dissertação (Fácio, 1991), de cunho eminentemente técnico-científico, permitiu concluir que o entendimento das erosões regionais deveria passar por análise multiparamétrica, sendo de grande relevância o estado de saturação em que se encontrava o solo inicialmente. Observa-se que sobressaía como relevante a necessidade de aprofundar o entendimento sobre os solos regionais em estado não saturado. Ainda para a região do Distrito Federal, a dissertação de mestrado do Geólogo Diógenes Mortari (Mortari, 1994) foi destaque pela sua contribuição para o entendimento do processo evolutivo das erosões do Distrito Federal, ao propor, fundamentado no entendimento do manto de intemperismo e na geologia estrutural regional, o modelo encaixado como forma final das erosões da região. Essa dissertação foi agraciada, em 1994, com o prêmio Icaray da Silveira da Associação Brasileira de Mecânica dos Solos. Cabe destaque ainda ao estudo de Mortari (1994) pela sua importância para a engenharia geotécnica regional como um todo, a associação por ele feita entre a textura do solo e a sua origem geológica. Buscando ampliar o entendimento do processo evolutivo das erosões na Região Centro-Oeste do Brasil, Santos (1997) desenvolveu sua dissertação de mestrado estudando erosões do Município de Goiânia. Nesse trabalho, foi possível concluir que as voçorocas de Goiânia evoluem segundo dois modelos: um linear, atuante em declividades médias que evoluem em consequência do fluxo superficial e de movimentos de massa; o outro, de forma semicircular, que se desenvolve em rupturas de declive e no qual o processo evolutivo é fruto da interação entre o fluxo superficial, a erosão interna e os movimentos de massa. Ainda no que se refere ao modelo evolutivo das erosões, surgiu de uma demanda da Cidade de Manaus a ocasião de estudar outras condicionantes definidoras do modelo evolutivo das erosões. O estudo foi desenvolvido por Lima (1999) e foi fruto da interação entre a Universidade de Brasília e a Universidade Federal do Amazonas, tendo contado naquela instituição com o apoio e co-orientação da Professora Consuelo Alves Frota. Do estudo resultou o entendimento de que as erosões regionais tinham o modelo evolutivo condicionado por trincas e fraturas oriundas de neotectonismo. O estudo trouxe também uma grande contribuição para a geotecnia regional, ao fixar que, para o Município de Manaus, os solos apresentavam suas propriedades variando segundo a cota altimétrica. A Figura 16 ilustra essa característica regional. 92 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 16 – Perfil de intemperismo da cidade de Manaus. Continuando seus estudos sobre processos erosivos, a mesma autora verificou, em sua tese de doutorado, em que analisou erosões do Distrito Federal (Lima 2003), que o solo apresenta evolução físico-química, afetando o comportamento mecânico do maciço, à medida que se aproximava das faces dos taludes das ravinas e voçorocas. Portanto, a alteração do maciço se dá sob influência tanto do fluxo em meio saturado como do fluxo em meio não saturado. Tais conclusões são se grande relevância e têm alcance muito mais amplo do que os simples casos de erosões, pois podem explicar as frequentes rupturas de encostas naturais em todo o país em função de um processo de degradação relativamente rápido que pode ocorrer em consequência de alterações do uso do solo ou da geomorfologia local. Elas explicam ainda parte das frequentes rupturas de taludes rodoviários verificadas anualmente, principalmente em período chuvoso. A Figura 17 ilustra os resultados obtidos por Lima (2003). Nela sobressai a lixiviação dos finos à medida que se aproxima do talude da voçoroca Ceilândia 1, no Distrito Federal. A faixa de solo em relação à face do talude que é alterada pelo intemperismo é, geralmente, função das características estruturais, geométricas e de drenagem do maciço junto à erosão. Nogueira (2005), usando modelagem física em laboratório, mostrou que o fluxo em meio não saturado é susceptível de provocar a degradação físicoquímica do solo. No estudo, foram usadas amostras oriundas do Campo Experimental do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília e da erosão Ceilândia 2, estudada por Lima (2003). Adotou-se como fluidos de percolação água, solução de cal e de NaCl. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 93 Figura 17 – Variação da fração fina com a distância da borda da voçoroca Ceilândia 1. Entendidos os mecanismos de evolução dos processos erosivos em diferentes formações geológicas, buscou-se trabalhar em três novas frentes: a da prevenção, a do controle e a da recuperação dos processos erosivos. Como técnica de prevenção de erosões, o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, conjuntamente com o Programa de PósGraduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás, deu início a estudos de sistemas de infiltração. Têm sido estudados, no Distrito Federal, trincheiras e valas de infiltração e, em Goiás, poços de infiltração. Também sobre esse tema está sendo publicado o capítulo 11 deste livro tratando do assunto com mais detalhes. Destaca-se que o grupo de pesquisa tem buscado soluções técnicas vislumbrando o uso de materiais de baixo custo, que deem maior eficiência ao sistema, e vem analisando os efeitos colaterais da inundação, tais como colapso e erosão interna. Sobre o tema já foram defendidas duas dissertações de mestrado (Silva, 2007; Leão Carvalho, 2008), e duas teses de doutorado dos mesmos autores encontram-se em andamento. Ainda sobre o tema, atuou em nível de pós-doutorado a pesquisadora Cláudia Márcia Coutinho Gurjão no período compreendido entre abril de 2007 e março de 2008. As soluções propostas, além de contribuírem para a prevenção de erosões, propiciam a recarga do aquífero e ajudam a evitar alagamentos e inundações. Ainda sobre o tema erosão, o Pesquisador Wagner Santos de Almeida fez o seu estágio pós-doutoral no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, nos anos de 2007-2008, estudando uma “Proposta de modelo de gestão do potencial de geração de energia para a UHE de Corumbá IV, Goiás, em função dos seus processos de uso do solo”. O estudo, co-supervisionado pelo Professor Newton Moreira de Sousa, objetivou analisar o impacto do uso do solo sobre o assoreamento do reservatório da barragem Corumbá IV. O estudo mostrou que o problema do assoreamento deve ser parte integrante do planejamento de exploração dos reservatórios de água. 94 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Apesar da grande contribuição para a prevenção de erosões que traz essa linha de pesquisa, o seu alcance ainda está longe de atingir a importância da educação. Camapum de Carvalho et al. (2008) dão destaque não só à educação ambiental como medida preventiva contra a ocorrência de erosões, mas também, à falta de efetividade da normas jurídicas e administrativas como origem de muitos problemas. No que tange ao controle de erosões, está sendo estudado o uso de biotecnologia. Sobre o tema, González (2009) defendeu sua tese de doutorado. Neste livro está sendo publicado o Capítulo 9 versando sobre o assunto. Farias (2005) desenvolveu um sistema de multibarramento, simples, eficiente e de baixo custo para recuperar processos erosivos. O sistema fundamenta-se no autoassoreamento e utiliza como materiais de construção geotêxtil, tela e estrutura suporte. Esses componentes, na medida do possível, devem ser constituídos de materiais biodegradáveis, pois, uma vez concluída a recuperação da ravina ou voçoroca, eles permanecem no local. Não se entrará aqui em detalhes sobre esse sistema uma vez que o livro traz o Capítulo 10 tratando do assunto. Aparecem ainda como grandes contribuições do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, em parceria com o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil da Universidade Federal de Goiás e com Furnas Centrais Elétricas S.A., a publicação do livro “Processos erosivos no Centro-Oeste Brasileiro” e das cartilhas “Erosão” e “Meio Ambiente: Erosão”. Essas publicações consolidam a ideia de que é possível, em muitos casos na engenharia, colocar ao alcance da sociedade as pesquisas desenvolvidas no seio das universidades. A engenharia geotécnica e a atuação na área ambiental tornam imprescindível a interdisciplinaridade, requerendo, não raro, a transdisciplinaridade. As incursões mais marcantes do autor nessa seara se deram ao orientar uma tese de doutorado sobre o uso de biotecnologia no controle de processos erosivos (González, 2009) e uma dissertação de mestrado que objetivou a melhoria dos solos finos para uso em estruturas de pavimento (Gómez Muñetón, 2009) fazendo uso da mesma técnica. Ainda no campo da interdisciplinaridade, o autor publicou estudos envolvendo aspectos de educação, de direito e de engenharia (Camapum de Carvalho & Melo, 2006; Camapum de Carvalho & Melo, 2007; Camapum de Carvalho et al., 2008; Camapum de Carvalho, 2009 a,b; Camapum de Carvalho et al.,2009; Camapum de Carvalho & Leuzinger, 2009). Esses trabalhos tiveram por principais conclusões que a maioria dos problemas ambientais são fruto de uma educação ambientalmente deficiente e da falta de efetividade das normas jurídicas e administrativas, sem esquecer a atuação da engenharia pouco preocupada com as questões ambientais. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 95 REFERÊNCIAS Anjos, M.M.M. (2003). Influência do recarregamento e da sucção na capacidade de carga de estacas escavadas em solos porosos. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 141 p. Aoki, N.; Velloso, D. A. (1975). Na Approximate Method to Estimate the Bearing Capacity of Piles. In: Congresso Panamericano de Mecanica de Suelos e Ingeniaria de Fundacionen, Buenos Aires, v. 1, p. 367-376. Araki, M.S. (1997). Aspectos Relativos às Propriedades dos Solos Porosos Colapsíveis do Distrito Federal. 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Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 186 p. Capítulo 6 Estudos de materiais não convencionais para utilização em sub-base e base de pavimentos flexíveis Lilian Ribeiro de Rezende; José Camapum de Carvalho; Cláudia Cristiane Lima do Vale; Giovane Batalione; João Carlos de Oliveira; Luciana Michèlle Dellabianca Araújo 1 INTRODUÇÃO O interesse no desenvolvimento de pesquisas na área de materiais para pavimentação dentro da Universidade de Brasília teve início no fim da década de 90. Nessa época, dois motivos principais foram determinantes para a realização desses trabalhos. O primeiro estava relacionado com a constatação de que materiais naturais tradicionalmente utilizados na confecção de camadas de subbase e base, como o cascalho laterítico, estavam se tornando escassos junto aos grandes centros urbanos. O aumento da distância de transporte para utilização desses materiais poderia até inviabilizar, economicamente, a execução da obra. Aliado a esse fato, observou-se que o processo de obtenção do licenciamento ambiental para a exploração dessas jazidas estava se tornando mais difícil. No Estado de Goiás, informações da Agência Ambiental mostram que jazidas naturais localizadas próximas a mananciais ou em áreas de proteção ambiental estão terminantemente proibidas de uso, limitando ainda mais as áreas de exploração desses recursos (BATALIONE, 2007). Já o segundo motivo tratava do anseio de diversos setores da indústria para que fossem desenvolvidas tecnologias para reutilizar ou reciclar resíduos sólidos gerados em seus processos. O setor de pavimentação aparecia como uma alternativa pouco onerosa para a absorção desses resíduos, desde que pudessem ser aplicados na região onde são gerados. É importante ressaltar que esses motivos ainda continuam atuais e cada vez mais acentuados, incentivando a realização de pesquisas nessa área em todo o país. Por outro lado, dados da mesma época mostravam que apenas 10% da malha viária brasileira eram pavimentadas (REZENDE, 2003). Esta situação continua praticamente a mesma nos dias de hoje (BERNUCCI et al., 2008). Em muitos municípios brasileiros, a proporção de vias urbanas pavimentadas é da mesma ordem ou até pior. Concomitantemente, sabe-se que grande parte da malha rodoviária brasileira encontra-se em estado de degradação progressiva devido, principalmente, ao excesso de carga e à falta de planejamento e aplicação de recursos para a sua manutenção adequada (DELLABIANCA, 2004). 102 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Sendo assim, verifica-se que ainda há muito que se fazer no Brasil em relação tanto à construção de novos pavimentos, como à restauração daqueles já existentes. Para isso, é necessário que haja grande quantidade de materiais naturais ou não disponíveis para a execução desses serviços. A utilização dos materiais deve apresentar viabilidade técnica e econômica para tal utilização. Nesse sentido, alguns materiais alternativos, atualmente denominados de materiais não convencionais ambientalmente corretos, começaram a ser estudados por pesquisadores do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB, visando utilizá-los na confecção de camadas de sub-base e base de pavimentos flexíveis. Os materiais analisados até então foram os resíduos de pedreira, o asfalto fresado e os agregados reciclados oriundos dos resíduos de construção e demolição (RCD). Para a elaboração deste capítulo, foram consultados os seguintes trabalhos desenvolvidos na UnB: • Mourão (1998): trabalho de conclusão de curso orientado por José Camapum de Carvalho; • Vale (1999): dissertação de mestrado orientada por Eraldo Luporini Pastore; • Rezende (1999, 2003): dissertação de mestrado e tese de doutorado orientadas por José Camapum de Carvalho; • Dellabianca (2004): tese de doutorado orientada por Márcio Muniz de Farias e José Camapum de Carvalho; • Batalione (2007): dissertação de mestrado orientada por Luís Fernando Martins Ribeiro; • Oliveira (2007): tese de doutorado orientada por José Camapum de Carvalho e Lilian Ribeiro de Rezende. A seguir estão apresentados os principais resultados e discussões obtidos nas pesquisas citadas, devendo os interessados por maiores detalhes recorrer aos originais que se encontram disponíveis na página do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília (www.geotecnia.unb.br). Este capítulo tem por objetivo apresentar um panorama geral das pesquisas realizadas, ilustrando o texto com alguns resultados, análises e conclusões. 2 RESÍDUOS DE PEDREIRAS Toda atividade mineradora gera resíduos sólidos. No caso específico das pedreiras, durante o processo de exploração da rocha, são descartados dois tipos de resíduos: um material mais granular geralmente oriundo do descarte da parte superficial da rocha já intemperizada ou da mistura de fragmentos de rocha e solo desprezados, denominado de expurgo, e outro material mais fino resultante Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 103 do processo de lavagem após a britagem da rocha, conhecido como fíler. Na UnB, existem três trabalhos que abordam o aproveitamento do expurgo (VALE, 1999; REZENDE, 1999; REZENDE, 2003) e um que trata da utilização do filer para a estabilização de solos (BATALIONE, 2007), todos visando a aplicação desses materiais em pavimentação. 2.1 EXPURGO Vale (1999) e Rezende (1999, 2003) estudaram a aplicação do expurgo gerado na Pedreira Contagem, localizada na rodovia DF-205 Leste, em SobradinhoDF, a aproximadamente 10 km de distância da Área de Proteção Ambiental de Cafuringa. Essa era uma jazida de calcário, com lavra a céu aberto e cava com geometria de cone invertido. No período de 1990 a 1996, a brita produzida na pedreira foi utilizada em pavimentação, e em 1999 a mina já estava exaurida. Nesse caso, o resíduo estudado era constituído pela mistura de solo da região com a brita resultante da detonação da rocha, tendo sido acumulado, sem nenhum controle, em pilhas ao redor da mina. Na época, existiam cerca de três grandes pilhas e outras de pequena dimensão, perfazendo um volume aproximado de 100.000 m3. Inicialmente, o expurgo foi caracterizado e seu comportamento mecânico foi analisado por meio de ensaios laboratoriais. Posteriormente, o material foi utilizado na confecção da camada de base de um pavimento experimental e seu desempenho estrutural foi avaliado por meio da realização de ensaios de campo. Os resultados médios obtidos nas pesquisas referenciadas e apresentados na Tabela 1 mostraram que o expurgo de pedreira era um material constituído por mais de 60% de pedregulho, sendo classificado como A-2-4 e GM. A parcela fina desse material foi classificada na metodologia MCT (Miniatura, Compactada, Tropical) como compreendida entre as classes LG’ e LA’. Sua curva granulométrica média ficou situada dentro da faixa D do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes (DNIT), e os limites de consistência encontrados atenderam às especificações vigentes. Tabela 1 – Parâmetros médios obtidos nos ensaios de caracterização, compactação, expansão, Índice de Suporte Califórnia (ISC) e triaxial dinâmico para o expurgo compactado na energia Proctor intermediário (VALE, 1999; REZENDE, 1999). Parâmetro Pedregulho Areia Silte + Argila Unidade Valor médio % 65,9 % 12,0 % 22,1 104 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Parâmetro Unidade Valor médio % 32 Limite de liquidez (wL) % 48 Limite de plasticidade (wP) Índice de plasticidade (IP) % 16 3,00 g/cm3 Massa específica dos grãos (ρ) Coeficiente c’(metodologia MCT) 1,50 Coeficiente d’(metodologia MCT) 100 Índice e’ (metodologia MCT) 0,70 Perda de massa por imersão – Pi (metodologia MCT) % 12 % 8,3 Umidade ótima (wot) 3 21,20 kN/m Peso específico aparente seco máximo (γdmax) Expansão % 0,30 Índice de Suporte Califórnia (ISC) % 27 Módulo resiliente (MR) para uma tensão confinante MPa 300 de 0,07 MPa Quando compactado na energia Proctor intermediário, o material apresentou valores de umidade ótima e peso específico aparente seco máximo semelhantes aos encontrados para materiais tradicionais como o cascalho laterítico. Em termos de Índice de Suporte Califórnia (ISC), a resistência encontrada foi baixa (menor que 30%), o que indicaria o uso do expurgo apenas para sub-base de pavimentos. No entanto, os resultados obtidos nos ensaios triaxiais dinâmicos mostraram potencial de utilização do expurgo até mesmo para base, já que cascalhos lateríticos encontrados na região apresentam valores de módulo resiliente (MR) na ordem de 350 a 400 MPa quando compactados nessa energia. A Figura 1 mostra, ainda, uma tendência de correlação existente entre o ISC e o MR. O expurgo estudado em laboratório foi utilizado como material de base na construção de um dos subtrechos de um pavimento experimental localizado entre as estacas 126 e 163 da rodovia DF-205 Oeste, próximo à cidade satélite de Sobradinho-DF e aproximadamente a 12 km da Pedreira Contagem. No ano da sua pavimentação, essa rodovia apresentava baixo tráfego com um volume médio diário (VDM) aproximadamente igual a 200 veículos e já antes da execução da obra estava em funcionamento como uma via não pavimentada. O dimensionamento de sua estrutura e a sua execução foram realizados pelo Departamento de Estradas de Rodagem do Distrito Federal (DER-DF), considerando uma base de solo-brita para todo o projeto e utilizando o método tradicional do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes (DNIT). Para os subtrechos onde foram utilizados materiais alternativos como o expurgo, foi considerada a mesma estrutura já dimensionada para toda a rodovia, visando a compatibilidade geométrica e a facilidade de execução do trecho experimental. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 105 Figura 1 – Correlação entre o Índice de Suporte Califórnia (ISC) e o módulo resiliente (MR) para o expurgo compactado na energia Proctor intermediário. O pavimento experimental foi executado em agosto de 1998. Possui 440 m de extensão, duas faixas de rolamento com 3,5 m de largura cada e acostamento com 1,5 m (REZENDE, 1999). Sua estrutura é composta de base compactada na energia Proctor intermediário com espessura de 15 cm e revestimento em tratamento superficial duplo (TSD) com capa selante. Foi dividido em sete subtrechos, onde se variou o material componente da camada de base. O subtrecho onde foi utilizado o expurgo tem 80 m de extensão e está localizado entre as estacas 145 e 149, sobre uma seção de aterro. Todo o processo executivo foi realizado da forma convencional, como normalmente se executa uma base de cascalho. No entanto, na fase de espalhamento do material na pista, excluíram-se, manualmente, as frações de material com diâmetro superior a 10 cm. Durante a construção do trecho, foi realizado o controle do teor de umidade e do grau de compactação por meio do frasco de areia. A base de expurgo apresentou teores de umidade cerca de 0,4% inferior à umidade ótima e grau de compactação superior a 99%. Esses valores demonstram a garantia da qualidade dos serviços realizados nessa etapa e a conformidade da situação de campo com as especificações definidas em laboratório. Em julho de 2002 e janeiro de 2003, foram realizados ensaios com o densímetro nuclear na base de expurgo. Foram medidos valores de umidade variando em até 2,6% abaixo da umidade ótima e grau de compactação superior a 105%. Assim, verifica-se a tendência de a umidade de equilíbrio da base estar abaixo da umidade ótima. Verifica-se também que, ao longo de quatro anos, com a ação do tráfego, a densidade da camada aumentou. Essas características poderiam indicar que essa camada não apresentava até então problemas estruturais. 106 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Em março de 2000, foi realizado o ensaio com o penetrômetro dinâmico de cone (DCP) na base e no subleito dessa seção, bem como a determinação das suas umidades. Nesse período, foram observados valores de umidade elevados tanto para a base de expurgo (19,2%) como para o seu subleito (24,5%). Em termos de índice de penetração (DN), o expurgo apresentou um valor médio de 4,5 mm/golpe, considerado bom para material de base, e o subleito um valor de 9,8 mm/golpe, considerado normal para os solos finos tradicionalmente encontrados na região. Tanto durante a execução da pista como ao longo de quatro anos, o desempenho estrutural do trecho experimental foi acompanhado por meio da realização de ensaios de campo do tipo prova de carga sobre placa, viga Benkelman, “Falling Weigth Deflectometer” (FWD) e pressiômetro Pencel. A Tabela 2 apresenta um resumo dos principais parâmetros determinados por meio desses ensaios. Com os resultados obtidos, pode-se constatar o que segue. • Após a execução do revestimento, os valores de deslocamento obtidos no ensaio de prova de carga sobre placa foram superiores a 1,00 mm. Em agosto de 1999, período de seca, foi obtido o menor valor e, em outubro de 2001, início da estação chuvosa, foi medido um deslocamento da ordem de 2 mm. De uma forma geral, esses valores podem ser considerados baixos, mas a variação observada em função da ação do tráfego ao longo do tempo e da estação climática pode ser claramente observada. Nessa análise, é importante ressaltar, ainda, que os valores medidos refletem o comportamento da estrutura como um todo (subleito+base+revestiment o). Pelo fato de o revestimento utilizado não ter função estrutural e a base ter apenas 15 cm de espessura, o subleito influenciará muito no seu desempenho. • Com os dados obtidos no ensaio de viga Benkelman, verifica-se que, logo após a execução da base, foi obtido valor médio baixo para o deslocamento máximo, mostrando a sua boa capacidade estrutural inicial. Ao longo do tempo, constata-se que apenas a partir de 2001 foram obtidos valores mais elevados de deslocamento (próximo a 100 x 10-2 mm) e que esse comportamento não pode ser relacionado apenas com a base de expurgo, mas também com a estrutura como um todo. • Mesmo com apenas duas etapas de ensaios realizadas com o FWD, podese verificar que os deslocamentos máximos medidos foram ligeiramente maiores que aqueles observados no ensaio de viga Benkelman para os mesmos períodos. Verifica-se também que, a partir de 2001, a estrutura começou a apresentar deslocamentos mais elevados. • Com o ensaio pressiométrico realizado em furos verticais, pode-se verificar que, nos primeiros anos, o expurgo apresentou boa resistência e que, a partir de 2001, tanto o subleito como a base apresentaram quedas bruscas nos valores dos módulos horizontais. Esses resultados confirmam as constatações realizadas com os demais ensaios de campo. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 107 Em julho de 2002, foi realizada a avaliação da superfície do trecho. Os principais defeitos observados foram polimento, afundamentos plásticos nas trilhas de roda e trincas isoladas longitudinais longas. Foi obtido um valor para o índice de gravidade global (IGG) na ordem de 92, o que classificou o pavimento com um mau conceito. Com todos os dados apresentados, pode-se constatar que o expurgo de pedreira apresentou potencial de utilização em pavimentação quando estudado em laboratório. Quando utilizado numa obra real, ele suportou bem a ação do tráfego e do clima até o quarto ano de funcionamento da via. No entanto, deve-se ressaltar que o pior comportamento posterior do trecho não deve ser associado apenas ao material alternativo aplicado na base, mas também ao revestimento de baixa resistência utilizado (TSD) e ao comportamento do aterro sobre o qual a seção analisada estava localizada. Na época do estudo, foi realizada ainda uma análise comparativa do custo da utilização do expurgo em relação ao cascalho laterítico. Verificou-se que, se a jazida de cascalho estivesse localizada a uma distância superior a 19 km da obra, como era o caso das jazidas disponíveis, o custo de sua utilização seria da ordem de 12,00 US$/m3, o que viabilizaria economicamente a utilização do expurgo que apresentou um custo na ordem de 4,00 US$/m3. Tabela 2 – Principais parâmetros obtidos nos ensaios de campo realizados no trecho experimental de expurgo em diferentes períodos (REZENDE, 2003). Valor médio 0,98 Julho/1998 0,76 1,25 Prova de Deslocamento Janeiro/1999 1,76 carga máximo para mm Agosto/1999 1,39 sobre a tensão de Março/2000 Revestimento 1,63 placa 560 kPa Novembro/2000 1,77 Outubro/2001 2,02 Julho/2002 1,32 Subleito 71,9 Julho/1998 Base 58,2 63,8 Viga Janeiro/1999 79,9 Deslocamento Benkel0,01 mm Agosto/1999 70,7 máximo Março/2000 Revestimento 90,4 man Novembro/2000 78,9 Outubro/2001 98,4 Julho/2002 103,4 Ensaio Parâmetro Unidade Período Camada ensaiada Subleito Base 108 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Valor médio 164,8 Julho/1998 285,3 304,8 Janeiro/1999 262,4 Viga Raio de Benkelm Agosto/1999 322,2 curvatura man Março/2000 Revestimento 274,1 Novembro/2000 286,7 Outubro/2001 85,9 Julho/2002 274,1 Outubro/2000 Revestimento 97,2 Deslocamento FWD 0,01 mm máximo Agosto/2001 Revestimento 117,0 Junho/1998 22,5 Setembro/1999 8,7 Março/2000 Subleito 12,9 Dezembro/2000 19,8 Pressi- Módulo presDezembro/2001 4,5 ômetro siométrico MPa Junho/1998 30,0 Pencel horizontal Setembro/1999 36,9 Março/2000 Base 19,9 Dezembro/2000 27,2 Dezembro/2001 3,8 Ensaio Parâmetro Unidade Período Camada ensaiada Subleito Base 2.2 FÍLER Batalione (2007) estudou a estabilização de solos regionais tropicais com fíler de pedreira. A pesquisa foi desenvolvida na região noroeste do Estado de Goiás, localizada a 35 km da capital do Estado, nas cidades de Caturaí, Goianira e Inhumas. Além dos motivos já expostos para a realização desse tipo de estudo, a escolha dessa região ocorreu devido à existência do fíler de pedreira, gerado na exploração da Pedreira Anhanguera. A Pedreira Anhanguera está localizada a 1,5 km de distância do centro da cidade de Caturaí. Essa pedreira desenvolve a atividade de exploração mineral na região há mais de 20 anos, com produção de agregados graúdos (brita 1 e brita 0), areia artificial e fíler, provenientes do beneficiamento de uma rocha granítica. Em relação ao processo de exploração mineral, verifica-se a utilização da técnica de lavra a céu aberto na exploração da mina. A profundidade de exploração do maciço rochoso encontra-se a 15 m em relação à cota do terreno original, com uma perspectiva de exploração desse maciço de pelo menos 150 109 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB anos. Os finos gerados no processo de lavagem da brita são levados para um equipamento denominado de hidro-ciclone, onde ocorre a separação final dos finos de pedreira, os quais são conduzidos, por processo hidráulico, até a barragem de rejeito. O material aí depositado é submetido a um processo de secagem natural, pela exposição direta ao ar, e depois conduzido às pilhas de estocagem. Esse resíduo corresponde a 3% do volume total de materiais produzidos na pedreira, incluindo volume de agregados graúdos e miúdos, o que resulta num volume diário de fíler igual a 30 m3. Para a realização dessa pesquisa, foram estudadas as seguintes amostras em laboratório: resíduo puro (fíler), solo de Caturaí, solo de Goianira, solo de Inhumas, cascalho encontrado na região e misturas desses solos com 15%, 25% e 35% de resíduo. Os principais resultados obtidos a partir de ensaios laboratoriais estão apresentados nas Tabelas 3 e 4. O fíler estudado pode ser classificado como uma areia siltosa e não apresenta plasticidade. Com a incorporação de rejeito em todos os solos, nos teores de 15, 25 e 35%, foram observadas modificações semelhantes nas características granulométricas, no peso específico dos sólidos e na plasticidade dos solos analisados. Essas associações acarretaram alterações em quase todas as amostras em relação à suas classificações. Nos solos das cidades de Caturaí e Goianira, foram detectadas, inclusive, mudanças da classe laterítica para não laterítica, relativa ao sistema MCT. Com a adição do rejeito à massa do solo, ocorreu a redução do peso específico dos sólidos em relação ao valor obtido para o solo na condição original. Observou-se que quanto maior a quantidade de rejeito adicionado ao solo natural, maior foi a redução no valor do peso específico da composição. Nesse estudo, o solo fino de Caturaí e o cascalho foram os materiais que tiveram menores reduções desse parâmetro. A propriedade de plasticidade também foi afetada pela incorporação do resíduo à massa dos solos. Em todas as composições, o índice de plasticidade foi reduzido. Na maioria absoluta das amostras, observou-se que quanto maior o teor de fíler adicionado, menor foi o índice de plasticidade obtido. Essa tendência se justifica pela redução do teor de argila e pelo aumento dos teores de areia e silte nas misturas, as quais são frações predominantes no fíler. Tabela 3 – Parâmetros obtidos nos ensaios de caracterização para os solos e misturas com fíler (BATALIONE, 2007). Amostra Fíler Solo Caturaí Solo Caturaí+15% Pedregulho (%) 0,0 0,3 1,2 Areia Silte Argila wL (%) (%) (%) (%) 49,7 50,1 56,7 45,2 11,6 21,0 5,2 38,0 21,1 33,1 28,0 wP (%) IP ρ (%) (g/cm3) 17,9 21,0 NP 15,2 7,0 2,70 2,69 2,62 110 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Amostra Solo Caturaí+25% Solo Caturaí+35% Solo Goianira Solo Goianira+15% Solo Goianira+25% Solo Goianira+35% Solo Inhumas Solo Inhumas+15% Solo Inhumas+25% Solo Inhumas+35% Cascalho Cascalho+15% Cascalho+25% Cascalho+35% Pedregulho (%) 1,4 1,2 0,6 1,0 0,9 1,2 0,2 0,5 1,0 1,1 35,5 29,3 25,9 20,8 Areia Silte Argila wL (%) (%) (%) (%) 60,8 59,3 27,6 38,3 36,6 36,9 30,4 44,3 49,2 51,2 32,0 39,0 42,2 45,7 16,6 18,2 27,7 25,1 30,6 32,3 18,4 15,5 17,7 18,1 12,6 15,9 16,8 19,8 21,2 21,3 44,1 35,6 32,0 29,7 51,0 39,7 32,1 29,5 19,3 15,8 15,1 13,7 27,0 27,0 47,2 40,0 36,0 34,0 47,9 32,0 32,0 29,0 33,3 26,4 24,4 24,4 wP (%) IP ρ (%) (g/cm3) 21,0 24,0 31,1 30,0 27,0 25,0 28,5 22,0 23,0 22,0 20,8 16,0 14,5 15,5 6,0 3,0 16,2 10,0 9,0 9,0 19,4 10,0 9,0 7,0 12,5 10,4 9,9 8,9 2,63 2,61 2,84 2,74 2,74 2,70 2,78 2,73 2,67 2,65 2,68 2,68 2,65 2,65 OBS.: wL = limite de liquidez, wP = limite de plasticidade, IP = índice de plasticidade, ρ = massa específica dos grãos, NP = não plástico. Além dos materiais já caracterizados, na fase de estudo do comportamento mecânico em laboratório das misturas compactadas, foram adicionados 2% de cal hidratada do tipo CH-III ao cascalho e às misturas do cascalho com 15% e 25% de fíler. Essa estabilização química objetivou melhorar a resistência dos materiais, visando à sua utilização em camadas de base de pavimentos. Os principais resultados obtidos estão apresentados na Tabela 4. Tabela 4 – Parâmetros médios obtidos nos ensaios de compactação, expansão, ISC e triaxial dinâmico para solos e misturas com fíler compactados na energia Proctor intermediário (BATALIONE, 2007). Amostra Solo Caturaí Solo Caturaí+15% Solo Caturaí+25% Solo Caturaí+35% Solo Goianira wot γdmax (%) (kN/m3) 16,8 16,1 13,8 12,8 27,4 17,71 17,88 17,78 17,67 15,62 ExpanISC são (%) (%) 0,00 0,00 0,10 0,00 0,10 17 17 13 12 13 MR (MPa) σ3 = 0,05 MPa σ3 = 0,10 MPa σd = 0,03 MPa σd = 0,10 MPa 90 66 111 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Amostra Solo Goianira+15% Solo Goianira+25% Solo Goianira+35% Solo Inhumas Solo Inhumas +15% Solo Inhumas+25% Solo Inhumas+35% Cascalho Cascalho+15% Cascalho+25% Cascalho+35% Cascalho+2% cal Cascalho+15% +2% cal Cascalho+25% +2% cal wot γdmax (%) (kN/m3) ExpanISC são (%) (%) 22,6 20,6 19,7 19,8 17,3 16,9 16,5 14,4 12,7 13,0 13,6 15,6 16,62 16,96 17,16 17,09 18,02 18,05 17,92 18,62 18,62 18,39 18,06 18,27 0,00 0,00 0,10 0,20 0,30 0,20 0,10 0,10 0,30 0,10 0,20 0,00 18 20 18 10 15 13 12 33 33 34 25 42 14,5 18,19 0,00 15,3 17,77 0,10 MR (MPa) σ3 = 0,05 MPa σ3 = 0,10 MPa σd = 0,03 MPa σd = 0,10 MPa 87 142 68 254 181 - 60 68 51 260 213 - 41 - - 40 - - OBS.: wot = umidade ótima, γdmax = peso específico aparente seco máximo, ISC = índice de suporte Califórnia, MR = módulo resiliente, σ3 = tensão confinante (usada para determinação do MR dos materiais granulares), σd = tensão desvio (usada para determinação do MR dos materiais finos). Observa-se que a adição de fíler aos solos estudados gera redução da umidade ótima e aumento do peso específico aparente seco máximo. Em termos de capacidade de suporte, apenas para o solo de Goianira verificou-se certo aumento nessa propriedade com o acréscimo do fíler – o maior valor encontrado foi de 20%. Batalione (2007) explica esse comportamento por meio de resultados observados em ensaios realizados no microscópio eletrônico de varredura (MEV), por meio do qual foi verificado que a adição do fíler proporcionou um melhor arranjo de grãos pelo preenchimento dos vazios existentes na compactação na condição natural. Os demais materiais mantiveram valores de ISC próximos ou ligeiramente inferiores àqueles obtidos para os solos sem o fíler. Somente com a incorporação de 2% de cal ao cascalho e às misturas de cascalho com 15% e 25% de fíler foi possível atingir valores de ISC na ordem de 40%. Em termos de resiliência, apenas algumas amostras foram selecionadas para a realização do ensaio triaxial dinâmico. O cascalho e a mistura do cascalho com 15% de fíler podem ser classificados como do grupo B, segundo sistema proposto no Manual de Pavimentação do Departamento Nacional de Infra-Estrutura de Transportes (BRASIL, 2006), apresentando um coeficiente K2 menor do que 112 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 0,50, ou seja, grau de resiliência intermediário, podendo ser aplicado em subbase e base de estruturas de pavimentos. Destaca-se que a composição contendo fíler, embora apresentando módulo resiliente menor, forneceu a mesma classificação do cascalho natural, sendo também credenciada para o uso em estruturas de pavimento. No caso dos solos finos, constata-se que a utilização do fíler não conduziu a melhorias significativas nos seus comportamentos resilientes. Nas situações analisadas, as amostras foram classificadas conforme a recomendação do DNIT (2006) como solos do grupo II, ou seja, solos com características resilientes de material de reforço e de subleito. Com o objetivo de comprovar a viabilidade técnica do uso do fíler na estabilização de solos e na produção de pavimentos urbanos com volume de tráfego leve (N = 6,74 x 105), foi construída uma pista experimental em uma via urbana localizado no Residencial Santa Bárbara, na cidade de Inhumas (GO), no mês de maio de 2006. O trecho tem 72 metros de extensão e 6,0 metros de largura. A estrutura desse pavimento é composta de reforço de subleito e base, ambas as camadas com 20 cm de espessura cada. Para sua construção, foram utilizadas a mistura do solo de Inhumas com aproximadamente 15% em volume de fíler, que corresponde a 16,2% em peso, na camada de reforço do subleito e a mistura do cascalho com 15% de fíler na base. Para avaliar o seu comportamento estrutural, foram realizados os seguintes ensaios de campo: frasco de areia, viga Benkelman e geogauge. Os resultados obtidos estão apresentados na Tabela 5. Na metodologia executiva do trecho, foram adotadas as etapas tradicionalmente utilizadas em obras de pavimentação. No entanto, devido ao aparecimento de trincas por retração no reforço do subleito, houve a necessidade de ser realizada uma raspagem de 3 cm com motoniveladora na superfície da camada para garantir a selagem das trincas. Tabela 5 – Principais parâmetros obtidos nos ensaios de campo realizados no trecho experimental executado com fíler (BATALIONE, 2007). Ensaio Frasco de areia Viga Benkelman Parâmetro Unidade Período Umidade % Maio/2006 Peso específico aparente seco kN/m3 Maio/2006 Deslocamento máximo Raio de curvatura 0,01 mm Maio/2006 m Maio/2006 Camada ensaiada Reforço do subleito Base Reforço do subleito Base Valor médio Base 164 Base 120 16,7 12,5 17,70 18,90 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 113 (continuação) Ensaio Geogauge Parâmetro Unidade Período Rigidez MN/m Maio/2006 Camada ensaiada Base Módulo de elasticidade MPa Maio/2006 Base Valor médio 20,2 181 Observa-se que o grau de compactação obtido foi superior a 98% para o reforço do subleito e 100% para a base. O desvio de umidade ficou na ordem de -0,5% para o reforço do subleito e -0,3% para a base. Esses valores mostram que a execução das camadas foi realizada de acordo com o que foi especificado a partir dos resultados de laboratório. O deslocamento máximo inicialmente medido para a base por meio do ensaio de viga Benkelman foi considerado alto. No entanto, Batalione (2007) comparou esse resultado com ensaios realizados em outra via próxima ao trecho onde o fíler não foi utilizado e concluiu que o desempenho estrutural era semelhante. Em termos de raio de curvatura, o trecho não apresentou problemas. Conclusões semelhantes podem ser obtidas com os dados determinados com o geogauge. Em termos econômicos, além do ganho ambiental, a utilização do fíler na camada de base promoveu uma redução de custo na ordem de 6,4% quando comparada com a construção de uma base tradicional de cascalho laterítico. O ganho ambiental nesse caso se dá em duas direções: primeiro porque se utiliza o rejeito e segundo porque se minimiza a exploração de jazidas naturais de solo. 3 ASFALTO FRESADO A reciclagem de revestimento asfáltico vem sendo executada no Brasil desde meados da década de 80, logo depois da introdução das primeiras máquinas fresadoras no país. Nesse tipo de reciclagem, o material fresado da capa asfáltica é reaproveitado como revestimento ou binder a partir da incorporação de agentes rejuvenescedores que recuperam as características do ligante original envelhecido. Quanto à reciclagem de base, esta vem ganhando espaço entre as empresas de pavimentação e sendo executada em várias regiões brasileiras, com destaque para a reciclagem com incorporação de aditivos químicos e do asfalto espuma. Nesse tipo de técnica, o fresado do revestimento asfáltico pode ser reaproveitado na forma em que se encontra na pista e incorporado ao material de base original, para compor uma nova camada (DELLABIANCA, 2004). Em 1997, a técnica de fresagem dos revestimentos asfálticos foi introduzida em Brasília-DF. A primeira obra onde esse serviço foi executado consistiu na restauração do pavimento na via L2 Sul, onde o concreto asfáltico de 10 cm de espessura foi fresado e 50% desse material foram incorporados a 15 cm do mate- 114 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB rial da base pré-existente. O restante do asfalto fresado foi considerado resíduo da obra. A nova base foi, então, compactada, imprimada e revestida com 5 cm de concreto betuminoso usinado a quente (CBUQ). No entanto, ensaios realizados na mistura utilizada na nova base constataram a existência de baixos valores de capacidade de suporte (OLIVEIRA et al., 1997). Diante desses dados, Mourão (1998) iniciou os estudos desse material e analisou, por meio de ensaios laboratoriais, a incorporação de diferentes misturas, em volume, de asfalto fresado com cascalho laterítico coletado próximo à BR-040, solo fino laterítico coletado na rodovia DF-205 Oeste e cal hidratada. Os principais resultados obtidos nesse trabalho estão apresentados nas Tabelas 6 e 7. O cascalho utilizado no estudo foi classificado no sistema TRB como A-4 e, quando compactado na energia Proctor intermediário, apresentou elevada capacidade de suporte. Já o solo fino ficou enquadrado no grupo A-7-5 e, na metodologia MCT, foi classificado como LA’. Quando compactado, esse solo apresentou ISC baixo na ordem de 14%. Em termos de expansão, os dois materiais não apresentaram problemas. O asfalto fresado com a presença do ligante asfáltico apresentouse mais granular quando comparado com o resultado do ensaio de granulometria realizado na mesma amostra após a extração de 6,8% de betume. Tabela 6 – Parâmetros obtidos nos ensaios de caracterização para o cascalho, o solo e o asfalto fresado (MOURÃO, 1998). Silte + wP IP Pedregulho Areia wL Argila (%) (%) (%) (%) (%) (%) Cascalho 46,6 14,3 39,1 39,7 29,6 10,1 Solo fino 0,5 8,1 91,4 50,6 34,3 16,3 Asfalto fresado com betume 75,1 24,0 0,9 Asfalto fresado sem betume 34,2 55,9 9,9 OBS.: wL = limite de liquidez, wP = limite de plasticidade, IP = índice de plasticidade. Amostra Tabela 7 – Parâmetros obtidos nos ensaios de compactação, expansão e ISC para o cascalho, solo e misturas com asfalto fresado e cal compactados na energia Proctor intermediário (MOURÃO, 1998). Amostra Cascalho Solo fino Asfalto fresado wot (%) 17,8 23,6 6,2 γdmax (kN/m3) 18,26 16,12 18,22 Expansão (%) 0,00 0,10 0,00 ISC (%) 69 14 15 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 115 (continuação) Amostra Cascalho+16% fresado Cascalho+25% fresado Cascalho+34% fresado Cascalho+50% fresado Solo fino+25% fresado Solo fino+50% fresado Solo fino+66% fresado Solo fino+84% fresado Cascalho+25% fresado+0,5% cal Cascalho+25% fresado+1,0% cal Cascalho+25% fresado+2,0% cal Cascalho+25% fresado+4,0% cal Solo fino +25% fresado+2,0% cal Solo fino +25% fresado+4,0% cal OBS.: wot = umidade ótima, γdmax = índice de suporte Califórnia. wot Expansão ISC γdmax (kN/m3) (%) (%) (%) 14,7 18,86 0,00 36 14,2 19,43 0,10 17 13,0 19,66 0,20 14 11,1 19,45 0,10 15 17,2 17,73 0,10 26 13,0 18,70 0,10 23 9,3 19,40 0,10 16 7,5 19,36 0,00 22 13,5 19,38 0,03 67 14,9 19,38 0,00 72 15,2 18,90 0,08 76 15,5 18,64 0,00 92 18,6 17,48 0,00 65 18,0 17,15 0,00 70 peso específico aparente seco máximo, ISC = Nas amostras compactadas, verificou-se que a incorporação de asfalto fresado ao cascalho laterítico gerou a redução do valor do ISC, enquanto para o solo fino obteve-se acréscimo desse parâmetro com a adição do asfalto fresado. No entanto, melhorias realmente significativas só foram obtidas após a adição de cal às misturas. Com apenas 2% desse estabilizante já foi possível atingir níveis de ISC que qualificavam as misturas de cascalho ou solo fino com asfalto fresado para uso em bases de pavimentos flexíveis. Desde então, vários trechos de vias do Distrito Federal (DF) têm sido recuperados por meio da reciclagem, a partir da fresagem do revestimento e de parte da camada de base. Entretanto, a técnica vem sendo aplicada de forma empírica e, muitas vezes, tem-se optado por fazer a estabilização química na mistura, o que onera o preço da obra. Além disso, coincidentemente ao que foi apresentado no estudo de Mourão (1998), tem sido frequentemente observado que o ISC da mistura solo-fresado é muitas vezes inferior ao ISC do solo original da base, sem que uma resposta técnica convincente tenha sido apresentada para tal fato. Para tentar esclarecer essas questões, Dellabianca (2004) aprofundou as pesquisas laboratoriais executadas com esse material. Foram realizados estudos com duas amostras de asfalto fresado estocadas nos pátios dos órgãos rodoviários locais, uma amostra de cascalho laterítico tradicionalmente utilizado na construção de base de pavimentos retirada de uma jazida do DER-DF localizada próxima à DF-440, misturas desses materiais com as proporções de 16%, 20%, 25% e 35% de asfalto fresado, além da estabilização química das misturas com 2% de cal ou com 2% de cimento. 116 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Além dos ensaios de caracterização dos materiais e da compactação estática realizada na energia Proctor intermediário, Dellabianca (2004) avaliou outras formas de compactação, como mesa vibratória e compactador giratório, visando obter melhores resultados. Dentre os ensaios mecânicos realizados, tem-se expansão, ISC, compressão simples, cisalhamento direto e triaxial dinâmico para o cascalho, asfalto fresado e misturas compactadas na energia Proctor intermediário. No caso das misturas estabilizadas com cal e cimento, foi avaliada ainda a influência do tempo de cura no comportamento mecânico. As Tabelas 8 e 9 apresentam um resumo com os principais resultados obtidos. Tabela 8 – Principais parâmetros obtidos nos ensaios de caracterização para o cascalho, asfalto fresado e misturas (DELLABIANCA, 2004). wL (%) wP (%) IP (%) 9,1 Silte + Argila (%) 21,7 44,0 38,0 6,0 55,6 43,3 1,1 - - - Cascalho+16% fresado 68,0 13,6 18,4 37,0 31,0 6,0 Cascalho+20% fresado 66,5 15,9 17,6 35,0 29,5 5,5 Cascalho+25% fresado 65,9 17,7 16,4 33,0 27,8 5,2 Cascalho+35% fresado 64,5 21,1 14,4 30,0 25,0 5,0 Pedregulho (%) Areia (%) Cascalho 69,2 Asfalto fresado Amostra OBS.: wL = limite de liquidez, wP = limite de plasticidade, IP = índice de plasticidade. Tabela 9 – Parâmetros obtidos nos ensaios de compactação, expansão, ISC, compressão simples, cisalhamento direto e triaxial dinâmico para o cascalho, asfalto fresado e misturas compactadas na energia Proctor intermediário (DELLABIANCA, 2004). Amostra MR wot c γdmax Exp. ISC RCS (MPa) φ (º) (%) (kN/m3) (%) (%) (kPa) (kPa) *** Cascalho 15,9 17,4 0,00 63 472* 63,5 29,8 Asfalto fresado 6,5 19,0 0,00 10 67* - - 480 Cascalho+16% fresado 14,0 17,7 0,00 30 420* - - - Cascalho+20% fresado 12,0 18,3 0,00 27 650* - - - Cascalho+25% fresado 11,3 18,4 0,00 23 700* 59,0 28,7 250 480 117 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Amostra MR wot c γdmax Exp. ISC RCS (MPa) φ (º) (%) (kN/m3) (%) (%) (kPa) (kPa) *** Cascalho+35% fresado 10,2 18,6 0,00 18 540* - - - Cascalho+25% fresado+2% cal 14,2 17,4 0,00 54 600** - - - Cascalho+25% fresado+2% cimento 15,8 17,4 0,00 54 740** - - 600 OBS.: wot = umidade ótima, γdmax = peso específico aparente seco máximo, Exp. = expansão, ISC = índice de suporte Califórnia, RCS = resistência à compressão simples, c = coesão, f = ângulo de atrito, MR = módulo resiliente, * RCS sem cura, ** RCS com 3 dias de cura., *** MR para tensão confinante de 0,07 MPa e tensão desvio de 0,10 MPa. Como principais conclusões, Dellabianca (2004) ressaltou que: • No geral, os dois materiais fresados, oriundos de diferentes empresas de pavimentação do DF, puderam ser enquadrados numa mesma faixa granulométrica e considerados como uma única amostra durante toda a pesquisa; • A forma de compactar o material fresado tem influência no arranjo final das partículas e, consequentemente, no seu comportamento; • Quanto à resistência, a presença do ligante asfáltico envolvendo os agregados facilitou o deslizamento de uma partícula sobre a outra, diminuindo, assim, o atrito e, consequentemente, o ISC, e película de asfalto conferiu uma componente de maior elasticidade à mistura, aumentando o repique do pistão (compactação dinâmica) e diminuindo a energia efetivamente utilizada a cada golpe; • O valor do ISC no material fresado foi afetado pela velocidade de penetração adotada no ensaio, o que se deve à componente viscosa presente na película de asfalto; • A incorporação de fresado ao cascalho tendeu a diminuir o ISC da mistura de forma considerável, conforme já verificado em estudos anteriores, e essa diminuição é atribuída à película de asfalto que envolveu os grãos do material fresado e afetou a compactação dinâmica da mistura; • Não foi observada influência significativa da película de betume no ângulo de atrito da mistura reciclada (cascalho + 25% asfalto fresado) em relação ao ângulo de atrito do cascalho puro quando ensaiados nas mesmas condições de compacidade máxima; • O ensaio de ISC não foi considerado o tipo de ensaio laboratorial mais indicado para se prever o comportamento de misturas recicladas com incorporação de material fresado de revestimento asfáltico; • No ensaio de compressão simples, foi possível identificar um teor ótimo de asfalto fresado para o qual a mistura ganhou resistência em relação à RCS do cascalho puro e cuja percentagem, na pesquisa, ficou em torno dos 25% de asfalto fresado incorporado; 118 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB • A incorporação de aditivos químicos, como a cal e o cimento, na reciclagem de material fresado de capa asfáltica com cascalho, proporcionou resultados satisfatórios nos parâmetros de resistência da mistura; • O tempo de cura, em misturas com estabilização química, foi um fator importante na obtenção de bons resultados e deve ser levado em consideração; • A estabilização da mistura com 2% de cimento apresentou melhor desempenho inicial em relação à mistura estabilizada com 2% de cal; • A película de betume acrescentou uma componente elástica (mola) no comportamento das misturas que se manifesta mais claramente em ensaios dinâmicos e passa a ser dominante em relação à rigidez do cascalho em ensaios para determinação do módulo de resiliência; • Além da componente mola, a película de betume acrescentou uma componente viscosa (amortecedor), a qual, entretanto, é do tipo com fluência transiente e se estabiliza num tempo relativamente curto, não aumentando indefinidamente para intervalos de tempo maiores; • A partir dos resultados obtidos com a pesquisa, pode-se concluir que o asfalto fresado, devido à presença da película de betume, apresenta um comportamento mecânico que pode ser representado por um modelo formado por três componentes: a) elasticidade (mola): é responsável pelo aumento do repique elástico na compactação dinâmica e aumento do módulo de resiliência em ensaios cíclicos; b) viscosidade (amortecedor): influencia nos resultados de ISC quando se varia a velocidade de ensaio; c) deslizamento: provoca a redução de atrito (φ) em relação ao atrito das frações granulares usadas nas misturas de CBUQ, devido à superfície lisa do agregado recoberto. 4 AGREGADO RECICLADO A indústria da construção civil, nos processos de construção, reforma e demolição, gera um grande volume de resíduos sólidos que, geralmente, são considerados inúteis e descartados de forma nem sempre adequada. A disposição inadequada desses resíduos causa inúmeros problemas sócio-ambientais, como, por exemplo, a ocupação irregular de áreas urbanas, o exaurimento da capacidade de armazenamento de aterros sanitários, o assoreamento de córregos e rios, o entupimento de redes de drenagem, a proliferação de vetores de doenças e a degradação das paisagens urbana e rural. Apesar de causarem tantos problemas, os resíduos sólidos da construção civil, especificamente os compostos por concretos, argamassas e elementos cerâmicos, os quais compõem a chamada Classe A, devem ser vistos como fonte de materiais alternativos de grande potencial e utilidade na engenharia. Seu uso mais tradicional em aterros nem sempre é o mais racional, pois ele pode também Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 119 substituir materiais naturais normalmente extraídos de jazidas ou ser transformado em matéria-prima para componentes de construção com qualidade comparável aos materiais tradicionais. Nessa linha, Oliveira (2007) tentou estabelecer, a partir da realização de ensaios de laboratório e de campo, indicadores de potencialidades e desempenho de agregados reciclados de resíduos sólidos da construção civil em camadas de pavimentos flexíveis. O programa experimental da pesquisa foi dividido em três etapas distintas: • realização de ensaios de laboratório para avaliar potencialidades de aplicação de agregados reciclados em pavimentos flexíveis; • participação na construção de uma pista experimental no Município de Goiânia-GO, executada com base e sub-base oriundas de misturas de agregados reciclados de resíduos sólidos da construção civil (AR) e solo argiloso encontrado no local da obra; • monitoramento do desempenho da pista experimental em função da solicitação do tráfego, por meio da realização de ensaios de campo. Na fase laboratorial da pesquisa, inicialmente trabalhou-se com três frações de agregados reciclados de concreto, denominadas de ARC 19,1 (fração grossa), ARC 9,5 (fração média) e ARC 4,8 (fração fina) e três frações de agregados reciclados mistos (concreto + cerâmica), denominadas de ARM 19,1 (fração grossa), ARM 9,5 (fração média) e ARM 4,8 (fração fina). A Figura 2 mostra as curvas granulométricas obtidas para essas amostras e, na Tabela 10, tem-se um resumo dos principais parâmetros de caracterização obtidos. Figura 2 – Curvas granulométricas de todos os agregados reciclados estudados em laboratório. 120 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 10 – Principais parâmetros obtidos nos ensaios de caracterização para as amostras de agregado reciclado (OLIVEIRA, 2007). Amostra ARC 19,1 ARC 9,5 ARM 19,1 ARM 9,5 γs (kN/m3) 26,2 26,2 25,4 26,0 IP (%) NP NP NP NP A (%) 6 7,8 16,8 17,9 n (%) 13,8 17,4 30,3 32,1 LA (%) 36 38 59 54 IF 0,86 0,89 - OBS.: γs = peso específico dos grãos, IP = índice de plasticidade, NP = não plástico, A = absorção, n = porosidade, LA = abrasão Los Angeles, IF = índice de forma. Com relação à granulometria, as frações de AR 19,1 e AR 9,5, de concreto e mistas (essencialmente cerâmicas), apresentaram curvas granulométricas uniformes e bem semelhantes. Nas frações de AR 4,8, entretanto, as curvas granulométricas apresentaram-se melhor graduadas e um pouco distintas, sendo a amostra de agregado reciclado cerâmico mais fina que a de concreto. Com relação à plasticidade, determinada pelos ensaios de limite de liquidez e limite de plasticidade, as amostras de agregados reciclados < 4,8 mm apresentaram-se, como esperado, não plásticas (IP = NP). Os altos valores de absorção das amostras de ARC se devem à elevada porosidade da fração argamassa constituinte dos agregados e os das amostras de ARM à porosidade elevada dos grãos cerâmicos e de argamassa. Com relação aos pesos específicos dos grãos menores que 4,8 mm, as amostras de agregado reciclado cerâmico e de concreto apresentaram valores semelhantes. Para os grãos maiores que 4,8 mm, entretanto, os valores foram um pouco distintos, sendo os maiores valores obtidos para os agregados reciclados de concreto e os menores para os agregados reciclados cerâmicos. A alta absorção dos grãos cerâmicos influencia na homogeneização das dosagens e, consequentemente, no controle da umidade de compactação. Silva (2004) determinou, a partir da realização de ensaios de absorção com tempos diferentes de imersão dos grãos, para um agregado reciclado misto, que os valores máximos de absorção eram atingidos com aproximadamente 30 minutos de imersão. O valor limite de abrasão Los Angeles admitido por normas do DNIT para base estabilizada granulometricamente é de 55%. No entanto, são admitidos valores maiores no caso em que o material tenha apresentado, em utilização anterior, desempenho satisfatório. As amostras de ARC apresentaram valores bastante inferiores a esse limite, e duas das amostras de ARM, valores um pouco maiores. Os resultados sugerem que, se ponderados os respectivos desgastes, em dosagens contendo mistura de ambos os tipos de agregados, até um determinado limite de percentual de grãos de ARM, os valores de abrasão podem atender à exigência da norma. Os maiores valores de abrasão verificados para as amostras Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 121 de ARM em relação às amostras de ARC são atribuídos à maior porosidade dos agregados ARM e à sua própria constituição. Os valores de índice de forma obtidos foram satisfatórios para ambos os tipos de agregados reciclados, uma vez que o valor mínimo recomendado por normas do DNIT é de 0,50. Além do estudo dos agregados reciclados, foi realizada análise dos solos finos tropicais encontrados na região, visando à realização de misturas entre eles e os agregados reciclados. Neste capítulo, destacam-se os resultados obtidos para o solo existente na área da Central de Abastecimento do Estado de Goiás (CEASA), por este ter sido o material utilizado na construção do trecho experimental. Suas curvas granulométricas com e sem o uso do defloculante estão apresentadas na Figura 2. Nos ensaios, foram obtidos os valores de 27,36 kN/m3 para o peso específico dos grãos, 48% para o limite de liquidez, 27% para o limite de plasticidade e 21% para o índice de plasticidade. Para os ensaios de compactação e ISC, foi realizado um amplo estudo de dosagem considerando misturas compostas de grãos cerâmicos, concreto, argamassa e solo argiloso, resultando num total de 17 amostras. Neste capítulo, conforme consta na Tabela 11, são apresentados os resultados dos ensaios mecânicos apenas para as seguintes amostras: • agregado reciclado cimentício (ARC) composto de 27,5% de ARC 19,1, 27,5% de ARC 9,5 e 48,0% de ARC 4,8; • agregado reciclado cerâmico (ARM) composto de 33,3% de ARM 19,1, 33,3% de ARM 9,5 e 33,3% de ARM 4,8; • agregado reciclado com 50% de material cimentício e 50% de grãos cerâmicos (ARM 50/50) composto de 7,4% de ARC 19,1, 7,4% de ARC 9,5, 11,9% de ARC 4,8, 22,9% de ARM 19,1, 22,9% de ARM 9,5 e 27,5% de ARM 4,8; • mistura do ARM 50/50 com 30% do solo argiloso encontrado na área do CEASA (ARM 50/50 30% SA) composta de 9,0% de ARC 19,1, 9,0% de ARC 9,5, 0,0% de ARC 4,8, 26,0% de ARM 19,1, 25,3% de ARM 9,5, 0,0% de ARM 4,8 e 30% de solo que ficou enquadrada na faixa C do DNIT; • mistura utilizada na base da pista experimental do CEASA (ARM BASE), cuja dosagem proposta por Silva (2004) foi composta de 25% do agregado reciclado classificado como brita 19 mm, 25% do agregado reciclado classificado como brita de 9,5 mm, 25% do agregado reciclado classificado como areia e 25% do solo argiloso do CEASA; • material utilizado na sub-base da pista experimental do CEASA (ARM SUB-BASE), cuja dosagem proposta Silva (2004) foi composta de 33% do agregado reciclado classificado como brita de 19 mm, 33% do agregado reciclado classificado com brita de 9,5 mm, 17% do agregado reciclado classificado como areia e 17% do solo argiloso do CEASA. 122 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 11 – Parâmetros obtidos nos ensaios de compactação, expansão, ISC e triaxial dinâmico para as amostras compostas de agregado reciclado compactadas na energia Proctor intermediário (OLIVEIRA, 2007). MR (MPa) Amostra wot γdmax Exp. ISC IDp (%) (kN/m3) (%) (%) (%) σ3 = 0,07 MPa/σd =0,10 MPa Sem cura Após 90 dias ARC 14,5 17,85 0,00 104 3,3 220 310 ARM 21,5 15,39 0,00 73 8,9 100 - ARM 50/50 19,7 16,24 0,00 104 8,6 110 - ARM 50/50 30% SA 17,8 17,02 0,00 52 7,1 160 140 ARM BASE 14,5 17,70 0,00 83 3,5 160 140 ARM SUB-BASE 11,8 18,77 0,04 90 - 150 - Solo argiloso do CEASA 18,6 17,16 0,00 16 - 130 - OBS.: wot = umidade ótima, γdmax = peso específico aparente seco máximo, Exp. = expansão, ISC = índice de suporte Califórnia, IDp = índice de degradação após a compactação, MR = módulo resiliente, σ3 = tensão confinante, σd = tensão desvio. Observa-se que, em termos de ISC, as amostras de agregado reciclado apresentam valores elevados de resistência. Os módulos de resiliência das dosagens das camadas de base e sub-base da pista experimental apresentaram valores bastante semelhantes, variando entre 150 e 400 MPa para o intervalo de tensões (σ3, σd) aplicado. Esses valores apresentaram-se maiores que os das dosagens de laboratório estudadas. Entretanto, deve-se considerar que as amostras da pista experimental possuem texturas mais grossas e composição distinta das do estudo de laboratório. A amostra ARM puro, que é essencialmente constituída de grãos ou agregados cerâmicos e de argamassa, apresentou os menores valores de módulo, entre 40 e 200 MPa. A dosagem composta apenas de resíduos de concreto (ARC) apresentou um ganho considerável de módulo de resiliência após os 90 dias de cura, o que não aconteceu com as outras duas dosagens também ensaiadas com o mesmo tempo de cura. A amostra ARM 50/50 30% SA apresentou o módulo praticamente semelhante nos ensaios realizados com e sem cura. A amostra ARM Base, da pista experimental, apresentou uma pequena redução no valor do módulo após 90 dias de cura, devido, provavelmente, a pequenas variações na composição (agregado/solo), no estado físico das amostras (γd e w) e a algum problema de execução ou mesmo à variabilidade dos resultados do ensaio. O aumento do Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 123 módulo com a cura, constatado apenas na amostra ARC, pode ser explicado pela maior concentração de elementos cimentícios nessa dosagem que nas demais e também pelo fato de que o tempo de cura possa ter sido insuficiente para as outras amostras. Segundo Motta (2005), a instrução de projeto da Prefeitura Municipal de São Paulo IP 08 apresenta estimativas de valores de módulo de resiliência para materiais granulares para que seus projetistas possam avaliar deformações, tensões e deflexões na estrutura do pavimento. Segundo a autora, de acordo com o documento citado, a estimativa do módulo de resiliência (ou módulo de elasticidade) para uma camada de base granular situa-se entre 100 e 500 MPa. Ao se trabalhar com agregado reciclado, torna-se importante avaliar a existência de quebra dos grãos gerada pelo processo de compactação. Essa avaliação pode ser feita por meio da determinação do índice de degradação (IDp). Nesse estudo, a dosagem que sofreu menor degradação na energia intermediária (3,3%) foi a de ARC, e a que sofreu maior degradação (8,9%) foi a de ARM. A amostra composta pela dosagem usada na base da pista experimental (ARM BASE) apresentou baixo valor para o IDp. Oliveira (2007) avaliou ainda os valores desse índice para a energia Proctor modificada; a amostra ARM 50/50 apresentou um IDP de 13,0%. Como o valor limite de IDP sugerido pelo IPR (1998) é de 6%, embora o índice faça referência a rochas naturais, boa parte das dosagens atendeu a esse requisito. A dosagem ARM 50/50 compactada na energia modificada teve seu IDP aumentado de 4,4% em relação aos resultados obtidos quando da compactação na energia intermediária, ficando o índice com mais do dobro do valor sugerido pelo IPR. A pista experimental foi executada na Rua dos Ciprestes, Setor de Mansões Bernardo Sayão, Goiânia, no Estado de Goiás, e consiste no acesso de compradores a CEASA (Centrais de Abastecimento de Goiás S. A.). A construção da pista foi realizada nos meses de novembro e dezembro de 2003, como parte integrante de um programa municipal de gerenciamento de resíduos sólidos da construção civil. A viabilização da construção foi realizada a partir de uma parceria estabelecida entre a Prefeitura Municipal de Goiânia, FURNAS Centrais Elétricas S. A., a Universidade de Brasília e a Universidade Federal de Goiás. Os agregados reciclados utilizados na construção da pista experimental foram produzidos pela prefeitura municipal a partir da britagem, em conjunto, de resíduos sólidos compostos de concretos, materiais cerâmicos e argamassas. Os estudos de caracterização e dosagem realizados para a construção da pista experimental, conforme já mencionado, foram realizados no Laboratório de FURNAS, em Aparecida de Goiânia, como parte integrante do trabalho desenvolvido por Silva (2004). As características de projeto da pista experimental são as seguintes: • extensão total: 56,00 m; • largura da pista de rolamento: 9,00 metros; 124 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB • inclinação transversal da pista = 3%; • seção transversal: mista (corte de 0,40 m no bordo esquerdo e aterro de 1,40 m no bordo direito); • espessura das camadas: sub-base = 15 cm (83% de agregados reciclados e 17% de solo argiloso) e base = 15 cm (75% de agregados reciclados e 25% de solo argiloso); • revestimento: CBUQ com espessura de 5 cm; • o dimensionamento do pavimento foi realizado de acordo com o método do DNIT, considerando a execução das camadas de base e sub-base com materiais granulares naturais. Durante a execução da pista, foi realizado um monitoramento minucioso por meio de ensaios de campo, conforme apresentado no estudo de Silva (2004). Após a execução, Oliveira (2007) continuou o monitoramento da pista. Em agosto de 2005, foi realizada uma contagem do tráfego e determinou-se um número equivalente de solicitações do eixo padrão (N) para esse período de 9 x 103. Para uma vida útil de 10 anos, o N estimado é de 2 x 105, sendo esta pista considerada como de baixo volume de tráfego. Os principais resultados obtidos a partir da realização de ensaios de campo estão apresentados na Tabela 12. Com os dados obtidos no ensaio de frasco de areia, verificou-se que existe pequena diferença entre os valores iniciais e aqueles obtidos após a incidência de dezoito meses de tráfego sobre a pista experimental. Essa diferença pode, no entanto, ser atribuída à própria variabilidade do material nos pontos ensaiados. Silva (2004) verificou que as determinações de umidade feitas com o densímetro nuclear para a base e sub-base de agregados reciclados apresentaram variações significativas em relação ao método da estufa. Como os valores das umidades de campo determinados na época de construção da pista experimental utilizando densímetro foram menores, em torno de 3% em relação aos valores determinados pela estufa, foram adotadas as umidades da estufa para a determinação dos pesos específicos secos de campo. Se for adotado esse mesmo critério para os dados obtidos por Oliveira (2007), considerando-se as umidades obtidas pela estufa nos ensaios de frasco de areia realizados no mesmo dia e local, os pesos específicos secos obtidos pelo densímetro nuclear sofrem redução. Entretanto, eles continuam apresentando valores distintos daqueles obtidos pelo método do frasco de areia. Embora não seja muito comum a sua utilização em obras de pavimentação no Brasil, uma vez feita uma aferição adequada, o densímetro nuclear pode ser utilizado para a determinação de umidades, pesos específicos de campo e controle de compactação, inclusive de agregados reciclados. Com os resultados dos ensaios de viga Benkelman, pôde-se inferir certa compatibilidade entre os resultados obtidos. Os menores deslocamentos obtidos no mês de setembro/2004 podem ser explicados por ser este um dos meses mais 125 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB secos do ano, o que induziria à perda de umidade pela estrutura de pavimento e, consequentemente, ao seu melhor desempenho. Outra explicação para tal acontecimento pode estar relacionada ao fato de que, nessa época, o pavimento ainda não havia recebido nenhuma solicitação de tráfego. Tabela 12 – Principais parâmetros obtidos nos ensaios de campo realizados no trecho experimental de agregado reciclado em diferentes períodos (OLIVEIRA, 2007). Ensaio Parâmetro Unidade Período Novembro/ 2003* Peso específico aparente seco kN/m3 Frasco de areia Novembro/ 2005 Maio/2006 Umidade % Novembro/ 2005 Maio/2006 Novembro/ 2003* Peso específico aparente seco Maio/2005 kN/m3 Densímetro nuclear Novembro/ 2005 Maio/2006 Maio/2005 Umidade % Novembro/ 2005 Maio/2006 Camada ensaiada Base Valor médio 17,5 Sub-base 17,9 Base 17,6 Sub-base - Base 18,0 Sub-base 17,4 Base 12,2 Sub-base - Base 12,6 Sub-base 13,3 Base 17,1 Sub-base 17,2 Base 19,0 Sub-base 18,7 Base 19,2 Sub-base 18,9 Base 18,4 Sub-base 18,1 Base 10,0 Sub-base 10,1 Base 8,9 Sub-base 9,2 Base 9,6 Sub-base 9,7 126 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Ensaio Parâmetro Unidade Período (continuação) Camada Subleito Dezembro/ Sub-base Base 2003 Revestimento DesloJaneiro/2004 Revestimento Viga camento 0,01 mm Setembro/ Revestimento Benkelman 2004 máximo Maio/2005 Revestimento Novembro/ Revestimento 2006 Maio/2006 Revestimento Subleito Dezembro/ Sub-base Base 2003 Revestimento Janeiro/2004 Revestimento Viga Raio de Setembro/ m Revestimento Benkelman curvatura 2004 Maio/2005 Revestimento Novembro/ Revestimento 2006 Maio/2006 Revestimento Subleito 1 Novembro/ Subleito 2 2003 Subleito 3 Subleito 1 Dezembro/ Subleito 2 Sub-base 2003 Base Subleito 1 Penetrômetro Subleito 2 Índice de Maio/2005 dinâmico mm/golpe Sub-base penetração Base de cone Subleito 1 Novembro/ Subleito 2 Sub-base 2005 Base Subleito 1 Subleito 2 Maio/ 2006 Sub-base Base Valor 75 79 82 48 48 41 64 62 60 174 144 99 171 171 291 101 109 142 2,8 8,2 22,5 5,6 15,5 1,8 3,2 4,7 20,2 1,6 1,8 5,5 17,0 1,8 2,4 6,2 17,4 1,7 2,5 127 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Ensaio Parâmetro Unidade Prova de carga sobre placa Deslocamento máximo para a tensão de 560 kPa mm Módulo pressiométrico horizontal Pressiômetro Pencel Módulo pressiométrico vertical Geogauge * Silva (2004). Módulo de elasticidade MPa Período (continuação) Camada Subleito Sub-base Dezembro/ 2003 Base Revestimento Janeiro/2004 Revestimento Maio/2005 Revestimento Novembro/ Revestimento 2005 Maio/2006 Revestimento Subleito Dezembro/ Sub-base 2003 Base Subleito Maio/2005 Sub-base Base Subleito Novembro/ Sub-base 2005 Base Subleito Maio/2006 Sub-base Base Subleito Dezembro/ Sub-base 2003 Base Subleito Maio/2005 Sub-base Base Subleito Novembro/ Sub-base 2005 Base Subleito Maio/2006 Sub-base Base Base Novembro/ 2005 Revestimento Base Maio/2006 Revestimento Valor 1,17 1,31 1,37 1,25 1,25 0,75 0,79 0,84 27 63 36 76 31 140 17 65 6 8 17 21 9 13 18 15 235 234 155 237 128 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os meses de maio e novembro corresponderiam a situações mais ou menos semelhantes, pois enquanto o primeiro corresponde a uma fase situada logo após o início do período chuvoso (geralmente em outubro), o segundo corresponde ao início do período de seca (em abril praticamente já não chove). Estaria excluído dessa explicação o comportamento do pavimento obtido no mês de janeiro, que corresponde ao pico do período chuvoso. No entanto, os controles de umidade efetuados à época mostram teores de umidade das camadas de base, sub-base e subleito, para esse período, ligeiramente inferiores aos registrados para os meses de maio/05, novembro/05 e maio/06. Em termos de deslocamentos medidos pela viga Benkelman, constatou-se que os valores são baixos e que o pavimento ainda apresentava um bom desempenho até o ano de 2006. Os dados dos ensaios obtidos com o penetrômetro dinâmico de cone durante a construção do trecho permitiram identificar a existência de três subcamadas com índices de penetração diferentes, em função do efeito superficial da compactação, do ressecamento superficial do subleito argiloso e da variação do teor de umidade no momento de realização do ensaio. Após a conclusão da base, foi possível medir a resistência de quatro camadas: base e sub-base, variando de 20 a 30 cm de profundidade e subleito, dividido em duas subcamadas. Verificou-se, ainda, que a sub-base apresentou valores de índice de penetração ligeiramente superiores aos da base, conforme também verificado em laboratório com a determinação do ISC, sendo essa diferença explicada pela alteração das dosagens utilizadas na composição de cada uma das camadas. Com os ensaios de prova de carga sobre placa, verificou-se que os deslocamentos das camadas obtidos apresentaram valores bem próximos, embora, ao contrário do que poderia se esperar, o subleito apresentou deslocamentos ligeiramente menores que as demais camadas. Esse fato pode ter ocorrido em função do enrijecimento da superfície do subleito devido ao ressecamento e também à baixa coesão das camadas de sub-base e base. Logo após a construção do pavimento (janeiro/2004), os deslocamentos obtidos foram maiores que nos demais períodos ensaiados, após o pavimento ter sofrido a ação do tráfego. Os valores mantiveram-se aproximadamente constantes para os demais períodos ensaiados (seis, doze e dezoito meses de tráfego). Por meio do pressiômetro Pencel, observou-se que os valores dos módulos apresentaram-se relativamente dispersos, um pouco influenciados pela variação de umidade, bem como pela provável diferença de grau de compactação. No caso do subleito, o ressecamento sofrido pela camada também pode justificar as variações ocorridas dos módulos e, no caso da base e sub-base, a heterogeneidade natural do material e da mistura lançada na pista. Foi possível notar também que os módulos obtidos para as camadas de agregado reciclado foram superiores aos do subleito e que o módulo horizontal sempre foi maior do que o vertical, refletindo a influência da compactação na estrutura desses materiais. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 129 Os dados obtidos com o goegauge mostraram que os valores de módulo medidos sobre o revestimento, como era de se esperar, foram maiores que os valores determinados sobre a base. Com relação ao revestimento asfáltico, verificou-se que, em média, os valores mantiveram-se aproximadamente constantes ao longo do período estudado; entretanto, os valores determinados sobre a base apresentaram uma significativa redução para o mesmo período. Comparando os valores médios de módulo obtidos para a base de agregados reciclados utilizando o geogauge (E= 235 MPa em novembro/2005 e E= 155 MPa em maio/2006) com os valores de módulo de resiliência obtidos em laboratório para essa dosagem (150 a 400 MPa), verifica-se que os mesmos se situam dentro de uma mesma faixa de valores. Sendo assim, todos os resultados obtidos tanto em laboratório como em campo mostram o potencial de utilização do agregado reciclado em camadas de sub-base e base de pavimentos flexíveis. Atualmente, já existem normas publicadas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) sobre a utilização do agregado reciclado em pavimentação, o qual já vem sendo utilizado corriqueiramente em serviços de pavimentação urbana em vários municípios. 5 CONCLUSÕES As pesquisas realizadas até então pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília versando sobre a utilização de materiais não convencionais em sub-bases e base de pavimentos flexíveis acompanharam as tendências mundiais de busca de mitigação dos danos ambientais e contribuíram, de modo significativo, para o entendimento do comportamento desses materiais e para a definição de metodologias executivas e de avaliação de obras executadas com esses materiais. Apesar de ainda ser necessário avaliar o comportamento dos trechos experimentais implantados ao longo do tempo e complementar as investigações laboratoriais, já é possível afirmar que o expurgo, o fíler de pedreira, o asfalto fresado e o agregado reciclado podem ser utilizados na construção de camadas de sub-base e base de pavimentos com baixo volume de tráfego. Provavelmente, ao se tentar comparar o desempenho desses materiais um com outro, será verificada a melhor qualidade tecnológica de algum, mas aliado a esse fato, quando se trabalha com resíduos sólidos, é importante lembrar que eles devem ser reutilizados nas regiões onde são gerados e que o ganho ambiental com seu reaproveitamento será enorme. O custo final será possivelmente menor que aquele referente ao uso de materiais convencionais, isso sem que se fale da redução do passivo ambiental que será significativa. 130 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB REFERÊNCIAS BATALIONE, G. (2007). Estabilização de solos tropicais com a utilização de rejeitos finos de pedreira de uma rocha granítica. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Brasília. 172p. BERNUCCI, L. B. et al. (2008). Pavimentação asfáltica: formação básica para engenheiros. Rio de Janeiro: PETROBRAS: ABEDA. 504f. Disponível em: http://www.proasfalto.com.br/07_download.htm. Acesso em: 10 ago. 2009. BRASIL. (2006). Manual de pavimentação. Departamento Nacional de Infra-estrutura de Transportes, Diretoria de Planejamento e Pesquisa, Coordenação Geral de Estudos e Pesquisa, Instituto de Pesquisas Rodoviária, Publicação 719, 3. ed., Rio de Janeiro. 274 p. Disponível em: http://www1.dnit.gov.br/ arquivos_internet/ipr/ipr_new/manuais/Manual_de_Pavimentacao_Versao_Final.pdf. Acesso em: 10 ago. 2009. DELLABIANCA, L. M. A. (2004). Estudo do comportamento de material fresado de revestimento asfáltico visando sua aplicação em reciclagem de pavimentos. Tese (Doutorado em Geotecnia), Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Brasília. 110 p. INSTITUTO DE PESQUISAS RODOVIÁRIAS. (1998). Estudos e pesquisas de rochas de pedreiras para estabelecimento de critérios de qualidade frente às normas e procedimentos existentes e sua aceitação. DNER, Ministério dos Transportes. Relatório Final, Rio de Janeiro, RJ. 153 p. MOTTA, R. S. (2005). Estudo laboratorial de agregado reciclado de resíduo sólido da construção civil para aplicação em pavimentação de baixo volume de tráfego. Dissertação (Mestrado em Transportes), Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. 134 p. MOURÃO, P. V. (1998). Reciclagem de um revestimento asfáltico a frio para uso como base em estruturas de pavimento flexível. 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Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 131 REZENDE, L. R. (2003). Estudo do comportamento de materiais alternativos utilizados em estruturas de pavimentos flexíveis. Tese (Doutorado em Geotecnia), Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. 372p. SILVA, A. L. A. (2004). Aplicação de Resíduos Sólidos da Construção Civil em Base e Sub-Base de Pavimentos. Trabalho de Conclusão do Curso (Infra-Estrutura de Vias), Centro Federal de Educação Tecnológica de Goiás. 215 p. VALE, C. C. L. (1999). Considerações geotécnias na recuperação de uma área degradada por mineração de calcário. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental. 106 p. Capítulo 7 Caracterização e uso de agregados graúdos lateríticos em misturas asfálticas: uma contribuição para o desenvolvimento sustentável das regiões Norte e Nordeste do País Joel Carlos Moizinho José Camapum de Carvalho Márcio Muniz de Farias 1 Introdução O Brasil, segundo o boletim estatístico da confederação nacional de transportes (CNT) de janeiro de 2007, apresentava uma malha rodoviária de aproximadamente 1.610.076 quilômetros de extensão, dos quais 196.094 quilômetros estão pavimentados, o que corresponde aproximadamente a 12,2% do total. Na Região Norte, 13,5% das estradas estão pavimentadas; especificamente o Estado de Roraima, com malha viária de 7.170 km, apresenta 15,6% (1.118,5 km). Na região Centro-Oeste, com 230.548 km de estradas, 10,5% (24.157 km) estão pavimentadas. Nesse contexto, os dados apontam para uma grande demanda de produtos para pavimentação, que vão desde equipamentos até materiais para construção. Neste último caso, os agregados, por constituírem aproximadamente 95% da composição das misturas betuminosas para produção de concreto asfáltico, merecem atenção destacada. A escassez de agregado granítico na região Norte e em outras áreas do país tem motivado os construtores locais a usar de forma indiscriminada, sem nenhum controle tecnológico, os solos lateríticos concrecionados e seixo rolado tanto na confecção de concreto de cimento Portland e concreto betuminoso usinado a quente, quanto como materiais de base e sub-base de pavimentos, dentre outras aplicações. Esses fatos têm motivado engenheiros e pesquisadores a estudarem as propriedades dos solos e das concreções lateríticas, para que se possa melhor conhecer o comportamento desses materiais dentro de um grau de segurança compatível com as normas e especificações geralmente adotadas. Por outro lado, sabe-se que esses solos são produtos de intenso intemperismo físicoquímico, biológico e mecânico e que são significativamente influenciados pelas mudanças de energia térmica e de energia mecânica (Camapum de Carvalho, 1981). Devido a esses fatores, as propriedades de engenharia dos solos lateríticos e, principalmente, das concreções podem apresentar variações que dificultam o seu uso ou mesmo o desempenho esperado. 134 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Essa escassez de agregados gera um aumento considerável nos custos da construção civil na região, tornando economicamente atraente a produção de agregado artificial com o uso de matéria-prima local. A maioria das obras de construção rodoviária na região amazônica está incluída nesse contexto. No estado de Roraima, por exemplo, 75% de seu território são áreas de preservação ambiental e/ou indígenas, o que dificulta ainda mais a exploração dos recursos minerais nessas áreas. No Brasil, principalmente na Região Norte, há ocorrência de extensas áreas de formações lateríticas, que podem fornecer uma fonte alternativa de agregados para construção. Na região amazônica, mais da metade da área é coberta por espessa camada de sedimentos quaternários e terciários não consolidados, sendo poucas as ocorrências de agregado natural oriundo de rocha. Quase todos os afloramentos do substrato rochoso estão situados em regiões de difícil acesso, afastadas dos centros consumidores e com severas restrições ambientais de exploração, surgindo como alternativa a possibilidade de uso dos agregados lateríticos. A utilização do agregado laterítico em revestimento asfáltico requer estudos detalhados, uma vez que as características desse agregado são muito diferentes do agregado pétreo. As normas existentes para dosagem de concreto asfáltico foram elaboradas para utilização de agregados pétreos, o que traz a necessidade de norma específica ou de ajuste das normas existentes para que se possibilite a utilização dos agregados lateríticos. As principais características dos agregados lateríticos são: alta densidade, desgaste por abrasão mais elevado que os agregados pétreos e alta absorção. A alta absorção é geralmente o principal problema. Segundo o Instituto de Asfalto, os agregados muito porosos não são usados normalmente, a não ser que possuam algumas qualidades ou propriedades adicionais que os tornem aceitáveis apesar da elevada absorção. Diante da dificuldade para aplicação da metodologia existente, associada ao limitado número de pesquisas realizadas, nota-se claramente que existe a necessidade de se estudarem as propriedades desses solos e de suas concreções com o intuito de melhor aproveitar tais materiais, barateando os custos de construção onde o agregado pétreo apropriado é escasso ou exige transporte em grande distância. Com o intuito de contribuir com soluções para resolver os problemas de carência de agregados tradicionalmente usados na construção civil, foram realizados vários estudos pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Um desses estudos é o de Moizinho (2007), cujo objetivo foi avaliar o comportamento de misturas asfálticas alternativas. No estudo, é avaliada a utilização de agregados lateríticos nas frações graúda, miúda e de fíler, enquadrados na média da faixa granulométrica C do DNIT (2005), compondo misturas betuminosas usinadas à quente. Tendo em vista questões ambientais, torna-se imperativa a adoção de estratégias de desenvolvimento industrial que contemplem alternativas tecnológicas Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 135 para reduzir os impactos dos resíduos ao meio ambiente e preservar os recursos naturais, sem comprometer o crescimento da atividade econômica. A pesquisa com materiais alternativos vem contribuir para mitigar danos ambientais e usar de forma mais racional os materiais disponíveis na natureza sem a agredir de forma não sustentável. 2 UTILIZAÇÃO DE AGREGADOS LATERÍTICOS EM OBRAS CIVIS Apesar das já comprovadas experiências positivas com agregados lateríticos, como, por exemplo, revestimento asfáltico do tipo superficial duplo na Paraíba, concreto betuminoso usinado a quente na pavimentação de rodovias dos Estados do Acre, Pará e Maranhão, tais solos ainda não podem ser utilizados em sua plenitude, em virtude da adoção, no Brasil, de metodologia de ensaios e especificações de serviços que foram desenvolvidas para agregados pétreos, portanto, mais aplicáveis às soluções convencionais. 2.1 Distribuição de Solos Lateríticos no Brasil e no mundo Segundo Melfi (1997), cerca de 40% das terras emersas do globo são cobertas de lateritas (Figura 1). No Brasil (Figura 2, Villibor et al., 2000), as lateritas recobrem quase 65% da área total do país. Essas áreas, em ambos os casos, situam-se nas zonas intertropicais, localizadas aproximadamente entre paralelos 30°N e 30°S de latitude. A importância do estudo das lateritas é maior, quando sabemos que os países que se situam na zona tropical são países em desenvolvimento e que, portanto, apresentam uma economia fortemente dependente da exploração de seus recursos naturais. Figura 1 – Extensão da laterização na superfície do globo (Melfi, 1997). 136 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 2 – Distribuição das coberturas lateríticas no Brasil (Villibor et al., 2000). 2.2 DEFINIÇÃO E CLASSIFICAÇÃO DAS LATERITAS De acordo com a Geologia, lateritas são o produto do processo de laterização, o mesmo que laterito. São formações superficiais ou subsuperficiais ferruginosas e aluminosas endurecidas, que se formam em regiões tropicais ou subtropicais. Quando se acumulam em grande quantidade, formam uma camada superficial resistente que recebe o nome de canga laterítica, carapaça laterítica ou crosta laterítica. Buchanann (1807), em viagem pela Índia, denominou de laterita (do latim later = tijolo) o estrato de argila de onde se extraíam blocos em forma de tijolos, que endureciam rapidamente quando expostos ao ar. Winterkorn & Chandrasenkharan (1951) apresentaram a classificação com base na relação molecular sílica / sesquióxidos da fração argilosa do solo (abaixo de μm = 2 micra), Equação 1, resumida na Tabela 1. (1) Tabela 1 – Classificação de solos lateríticos (Winterkorn & Chandrasenkharan, 1951). Solo Kr Solos de laterita (laterite soil) Kr ≤ 1,33 Solos de laterítico (lateritic soil) 1,33≤ Kr ≥2,00 Solos não lateríticos Kr > 2,00 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 137 Schellman (1980) expôs a definição de laterita como “acumulações superficiais ou subsuperfíciais de produtos provenientes do intenso intemperismo de rochas, desenvolvidos sob condições favoráveis a uma maior mobilidade de elementos alcalinos, alcalinos terrosos e sílica, e imobilização de ferro e alumínio” (p.1-10). Segundo Melfi (1997), em 1978, foram formados grupos de trabalho, organizados pela Associação Internacional de Geoquímica e Cosmoquímica e pela UNESCO, para uniformizar os conceitos e melhor compreender a gênese, a distribuição e as propriedades da laterita. Segundo Martins et al. (1998), o cascalho laterítico é considerado minério de classe II e é empregado em obras de engenharia. As características físicas desse material viabilizam sua utilização in natura na pavimentação de rodovias e fundações de obras civis. O cascalho laterítico ocorre em horizontes enriquecidos de ferro – típicos de perfis de intemperismo, em regiões tropicais – formado por nódulos centimétricos, endurecidos e soltos. Ainda segundo Martins (1998), para o seu depósito ser econômico, o cascalho laterítico deve apresentar espessura acima de um metro e a extensão mínima de 2000m2. 2.3 PROPRIEDADES E USO DE AGREGADO LATERÍTICO EM REVESTIMENTO ASFÁLTICO A correta utilização das rochas e demais materiais pétreos na construção civil requer o conhecimento prévio de suas propriedades. Qualificar um material rochoso é qualificar suas propriedades. Os agregados apresentam grande diversidade de propriedades. Algumas são relevantes para um dado uso, enquanto outras o serão para outro; algumas terão utilidade direta, outras indiretas. Para o seixo, por exemplo, a má adesividade ao ligante asfáltico facilita o seu desprendimento do pavimento (Figura 3), favorecendo o surgimento de buracos na pista de rolamento. Figura 3 – Efeito da má adesividade do seixo em pavimento asfáltico de Boa Vista – RR (Moizinho, 2008). 138 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Apesar do limitado número de estudos sobre agregados lateríticos, pressupõe-se que, pela própria estrutura do concreto betuminoso e pelos resultados obtidos em testes de laboratórios, alguns parâmetros dos agregados graúdos convencionais e alternativos são comuns e de mesma influência nas misturas betuminosas. Esses parâmetros seriam: forma, textura, quantidade, tipo e granulometria do agregado graúdo. Brito (1969), utilizando agregados graúdos lateríticos na fabricação de concreto betuminoso usinado a quente, afirma que, com a exceção do desgaste “Los Angeles” que estava fora dos limites estabelecidos pela especificação, os agregados graúdos utilizados apresentavam, quanto aos ensaios de granulometria, equivalentes de areia, densidade real e aparente, características apropriadas para serem utilizados na mistura betuminosa. Os resultados de laboratório obtidos com os agregados graúdos lateríticos com a mistura betuminosa foram satisfatórios. Com relação à quantidade de agregado graúdo na mistura betuminosa, verifica-se que, se aumentada, torna a mistura mais rígida pelo maior contato entre os grãos graúdos, formando um arcabouço estrutural de maior resistência interna. Em experiências realizadas pelo Road Research Laboratory (1962), com aumento nas quantidades de agregados graúdos em uma mistura areia-fíler-betume, verificou-se um acréscimo acentuado de estabilidade da mistura, em torno de 125%, quando se elevou a quantidade de agregado de 0% para 55%. Verificou-se também decréscimo de estabilidade para maiores quantidades de agregado. Com relação à absorção, tem-se verificado que alguns tipos de agregados lateríticos apresentam alta absorção de água. Essa propriedade do agregado graúdo poderá causar erro no cálculo da determinação dos vazios da mistura betuminosa, pelo emprego inadequado da densidade do agregado. Birnam (1969) observa que, em obras realizadas pelo DER-GB, concretos betuminosos executados com agregados graúdos com valores de abrasão Los Angeles superiores aos máximos permitidos pela especificação brasileira tinham bom comportamento e não apresentavam defeitos após dez anos de uso, que pudessem ser atribuídos à baixa qualidade dos agregados. A massa específica da grande maioria dos agregados produzidos a partir de concreções lateríticas é bastante influenciada pelas variações que as concreções geralmente apresentam, como a textura rugosa e a presença de cavidade, particularmente naquelas de forma mais irregular, conforme se pode observar na Figura 4. Maignein (1966) encontrou valores para massa específica real de agregados lateríticos entre 25 kN/m3 e 35 kN/m3. Ainda segundo Maignein, essa propriedade é altamente dependente não só do conteúdo de ferro, como também de compostos de titânio. Camapum de Carvalho et al. (1998) verificaram que a massa específica dos grãos, principalmente dos solos lateríticos, pode variar de maneira significativa em função da granulometria considerada, destacando o fato de a fração grossa ser constituída por concreções resultantes da cimentação por óxido e hidróxido de ferro e/ou alumínio, o que propicia uma significativa variação da massa específica dos grãos em relação à da matriz mais fina do solo. Os autores analisaram quatro Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 139 amostras de solo, sendo duas delas oriundas do Município de Aparecida de Goiânia-GO (amostras 1 e 2) e duas do Distrito Federal (amostras 3 e 4). A Figura 5 apresenta os resultados obtidos pelos autores e mostra que a massa específica dos grãos dos solos pesquisados variou em função da granulometria. Figura 4 – Microscópia digital, aumentada de 100X, da superfície de agregado laterítico de Boa Vista – RR (Moizinho, 2007). Figura 5 – Variação da massa específica dos grãos de solos lateríticos de GO e DF em função de seu diâmetro (Camapum de Carvalho et al., 1998). Amaral (2004), caracterizando o agregado laterítico, da jazida Nazareno, no Estado do Pará, determinou: massa específica real de 26,69 kN/m3, massa específica aparente de 21,92 kN/m3, absorção de 8,2%, desgaste Los Angeles de 46%, Índice de degradação de Washington 100, perda ao impacto Treton 41,7%, resistência pontual 43N/mm2 e durabilidade 3,7%. 2.4 EXPERIÊNCIAS COM MISTURAS BETUMINOSAS COM EMPREGO DE LATERITA EM CAMPO E EM LABORATÓRIO Apesar da grande ocorrência de materiais concrecionados de origem laterítica, em detrimento da escassez de rocha granítica principalmente nas regiões Norte, parte do Nordeste e Centro-Oeste do Brasil, esses agregados tidos como alternativos são pouco utilizados na pavimentação rodoviária, devido, princi- 140 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB palmente, ao limitado número de estudos para esses tipos de materiais. Isso traz, em consequência, pavimentos com custos elevados devido à grande distância de transportes de materiais mais conhecidos, como os oriundos de rocha sã. O primeiro emprego de agregados de origem laterítica em revestimento de que se tem conhecimento no Brasil foi o da pista de pouso e decolagem do aeroporto de São Luiz do Maranhão, feito pelo corpo de Engenharia do Exército Americano no ano de 1943, durante a Segunda Guerra Mundial. O concreto asfáltico usinado a quente usando a laterita após ser lavada e peneirada como agregado graúdo apresentou, após vinte anos, um bom comportamento. Segundo Santana & Gontijo (1987), essa solução foi dada, talvez, como emergência, mas o bom desempenho em todo esse espaço de tempo aponta para a excelência do material aplicado. Em 1962, foi executado, na rodovia que liga os Municípios de Sapé e Guarabira no Estado da Paraíba, um revestimento asfáltico do tipo tratamento superficial duplo, utilizando-se pisolitos lateríticos. De acordo com observações relatadas por diversos pesquisadores, a superfície de revestimento, após dez anos de uso, encontrava-se em bom estado, com textura rugosa. Brito (1969), em virtude da total ausência de pedreiras nas proximidades, utilizou cascalho lavado do tipo laterítico em concreto betuminoso usinado a quente, no revestimento do pavimento para ampliação do aeroporto de Belém no Estado do Pará. Pelos resultados de laboratório, a mistura asfáltica apresentou características apropriadas para uso, com todos os parâmetros atendendo às especificações. Carletti (1972) executou, na BR-317, trecho Camburé-Xapuri no Estado do Acre, um revestimento do tipo pré-misturado a frio com o uso de agregado laterítico e emulsão asfáltica, numa extensão de 200 m próximo do DERACRE. De acordo com o autor, os resultados foram bons. Tavares (1976) utilizou um concreto betuminoso usinado a quente composto com agregado laterítico na restauração do pavimento de um trecho experimental da BR 316 (Belém-Castanhal no Estado do Pará), em substituição a uma areia asfáltica de fraca adesividade. A mistura foi executada com características Marshall apropriadas, a exceção dos vazios na mistura. O pré-misturado a quente composto por 50,5% de concreções lateríticas, 41,25% de areia laterítica e 6,25% de CAP 50/60 apresentou as características mostradas na Tabela 2. Segundo o autor, o revestimento apresentou bom comportamento quando submetido ao tráfego pesado. Tabela 2 – Características Marshall da mistura betuminosa usada trecho experimental da BR 316, Belém-Castanhal – PA (Tavares, 1976). Estabilidade (kN) Fluência (mm) 7,6 3,0 γA (kN/m3) Vazios (%) 22,1 γA = massa específica aparente; RBV = relação betume vazios. 8,0 RBV (%) 62,7 141 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Em 1976, foi executado um pré-misturado a quente com laterita, sem lavagem, no estacionamento do DNIT, em Belém. O pavimento encontra-se em uso até hoje, mas, logo após sua execução, apareceram trincas de contração atribuídas ao excesso de finos lateríticos na mistura empregada. Brito (1968) utilizou pisólitos lateríticos como agregado graúdo na fabricação de pré-misturado a quente na construção da BR 135 (MA), no trecho MirandaCaxuxa (1968-1969), tendo havido a restauração em 1977, quando o pavimento encontrava-se, de um modo geral, em boas condições de tráfego. Os pisólitos lateríticos apresentavam Los Angeles da ordem de 45% a 60% e durabilidade maior que 12%, com adesividade satisfatória. A mistura foi fabricada com 92% de laterita beneficiada, 1,5% de fíler e 6,5% de CAP 50/60, apresentando as características Marshall mostrada na Tabela 3. Tabela 3 – Características Marshall de mistura pré-misturada a quente usada no trecho da BR 135, Miranda-Caxuxa – MA (Brito, 1968). Estabilidade (kN) Fluência (mm) 9,4 4,0 γA (kN/m3) Vazios (%) 23,6 4,2 RBV (%) 78 γA = massa específica aparente; RBV = relação betume vazios. Outra experiência com agregados lateríticos faz parte de um projeto alternativo elaborado por Santana & Gontijo (1987) para a rodovia BR 364 – AC. Os agregados graúdos lateríticos foram obtidos da classificação por lavagem e peneiramento, utilizando-se as peneiras 19,1 mm e 9,5 mm. Como agregado miúdo foi usado areia de rio. A mistura de agregado enquadrou-se na faixa C do DNIT com a seguinte composição: 30% de laterita (19,1 mm – 9,5 mm), 55% de laterita com diâmetro inferior a 9,5 mm e 15% de areia do rio Acre. O CBUQ foi projetado com a metodologia Marshall e um teor ótimo de betume, CAP 50/60, de 7,5% em peso, apresentando as características Marshall mostradas na Tabela 4. Tabela 4 – Características Marshall de um CBUQ usado na rodovia BR 364 – AC (Santana & Gontijo, 1987). Estabilidade (kN) 7,0 Fluência (mm) 3,0 γA (kN/m3) Vazios (%) 22,5 4,5 γA = massa específica aparente; RBV = relação betume vazios. RBV (%) 78,5 142 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Moizinho (1994), estudando misturas betuminosas usinadas a quente com uso de agregados lateríticos de diferentes formações geológicas do Nordeste do Brasil, concluiu que os concretos usinados a quente fabricados com os agregados lateríticos pesquisados não se diferenciavam entre si quanto às condições de estabilidade, densidade aparente e fluência quando medidas por meio do ensaio Marshall. De acordo com o autor, as diferenças entre as misturas foram observadas quando se analisou a percentagem de vazios, principalmente nas misturas com agregados que apresentavam alta absorção. A Tabela 5 apresenta os resultados do ensaio Marshall realizado no teor ótimo de ligante para três misturas betuminosas, constituídas por 58% de agregado graúdo laterítico, 38% de resíduo de pedra britada granítica e 4% de fíler calcário. Tabela 5 – Características Marshall de três misturas betuminosas usinadas a quente com agregados lateríticos do Nordeste do Brasil (Moizinho, 1994). Parâmetros Marhsall Mistura betuminosa CAPI CTPB ARPB Teor ótimo de ligante (%) 6,0 6,2 9,0 Estabilidade (kN) 6,50 5,90 8,20 Fluência (mm) 5,8 5,8 5,2 Massa específica aparente (kN/m3) 2,44 2,41 2,09 RBV (%) 77,0 79,0 70,0 VAM (%) 18,8 17,2 26,6 Vazios (%) 4,3 4,6 7,8 CAPI–jazida Castelo Piauí, CTPB – jazida Cuité Paraíba, ARPB – jazida Areias Paraiba Castro & Salem (1994), juntamente com o DER-MG, aplicaram concreto betuminoso usinado a quente com agregados lateríticos lavados em um trecho experimental de 9,2 km entre Garapuava e o entroncamento Arinos / Buritis, em Minas Gerais. O trecho, após dois anos de uso, apresentou desempenho satisfatório. A Tabela 6 apresenta as características Marshall para o CBUQ usado, no teor ótimo de 7,5%. Ainda segundo os autores, foi verificada, por meio da extração de corpos-de-prova na rodovia, após dois anos de tráfego, que a granulometria variou da ordem de 4% em relação à de projeto, ficando dentro da faixa de trabalho estabelecida no projeto. 143 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 6 – Características Marshall de um CBUQ usado no trecho Garapuava e o entroncamento Arinos / Buritis em Minas Gerais (Castro & Salem, 1994). Estabilidade (kN) 13 Fluência (mm) 3,0 γA (kN/m3) Vazios (%) 22,5 4,5 RBV (%) 77,8 γA = massa específica aparente; RBV = relação betume vazios. Guimarães & Motta (2000) relatam à execução de 700m de extensão de pavimento, em via urbana, na cidade de Senador Guiomar – AC, com concreto betuminoso usinado a quente com agregado graúdo laterítico, lavado. A mistura foi constituída por 52% de laterita lavada, 40,8% de areia do rio Acre e 7,2% de CAP 20. A Tabela 7 apresenta as características Marshall para o CBUQ usado. Tabela 7 – Características Marshall de um CBUQ usado no pavimento de via urbana da cidade de Senador Guiomar – AC (Guimarães & Motta, 2000). Estabilidade (kN) Fluência (mm) 7,27 3,7 γA (kN/m3) 21,6 Vazios (%) 4,2 RBV (%) 78,5 γA = massa específica aparente; RBV = relação betume vazios. Amaral (2004) obteve os parâmetros mecânicos mostrados na Tabela 8 para uma mistura betuminosa usinada a quente com agregado graúdo laterítico do Município de Benevides, Estado do Pará. A mistura foi constituída de 47% de concreção laterítica, 50% de areia natural, 3% de fíler calcário e CAP 50/60. Segundo a autora, os resultados dos ensaios de resistência à tração e de módulo de resiliência, ambas por compressão diametral, indicam que a mistura laterita-asfalto possui rigidez compatível com os concretos densos. Tabela 8 – Características Marshall e mecânicas de concreto betuminoso usinado a quente com laterita do Estado do Pará (Amaral, 2004). Mistura Ligante E M Fluência VV RBV γA (kN/ σt (MPa), betuminosa (%) (kN) (mm) (%) (%) m3) 25°C 6,0 12,30 2,31 6,5 62,0 21,29 1,50 Granulometria 7,0 11,59 2,65 4,0 76,4 21,6 1,65 A CAP 50/60 8,0 8,84 3,31 1,6 90,9 21,85 1,44 MR Relação (MPa) MR/ σt 7983 5340 7878 4842 6755 4684 EM = resistência ao esmagamento; γA = massa específica aparente; VV = Volume de vazios; RBV = relação betume vazios; σt = resistência à tração indireta; MR = módulo de resiliência. 144 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A Tabela 9 apresenta resultados de resistência à tração e módulo de resiliência obtidos por diversos pesquisadores em relação a misturas betuminosas a quente, usando diferentes ligantes e agregados. Tabela 9 – Características mecânicas de concreto betuminoso usinado com agregados convencionais e alternativos. Catálogo de Curvas de Fadiga (Pinto & Motta, 1995). Mistura CAP % CAP Faixa 2 3 10 Calcário PB Laterita AC Laterita PA 50/60 85/100 50/60 CAP 20 CAP20 50/60 20 50/60 6,0 5,5 7,2 5,2 5,7 5,5 7,2 7,0 C C C B B B C C σt (MPa), MR (MPa), 25°C 25°C 0,86 3900 0,64 2100 0,57 2300 0.97 3224 1,17 6500 1,00 3728 0,51 2184 1,63 7878 Referência Preussler (1983) Preussler (1983) Pinto (1991) Macêdo (1996) Oliveira (1997) Leal (1999) Motta (2000) Amaral (2004) CAP = cimento asfáltico de petróleo; σt = resistência à tração indireta; MR = módulo de resiliência. A Figura 6 apresenta os valores de estabilidade Marshall obtidos por diversos pesquisadores em função do tipo de agregado e teor de ligante. Conforme mostrado, as misturas densas apresentaram valores elevados de estabilidade para teores de betume de 5% a 7% quando comparadas às demais misturas. Esse fato mostra a importância do tipo de asfalto, da composição da mistura e do tipo de agregado graúdo, miúdo e fíler. Figura 6 – Estabilidade de misturas betuminosas do Norte e Nordeste do Brasil usando agregados lateríticos (modificado de Motta et al., 2000). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 145 Com relação à viabilidade da utilização de agregados de origem laterítica em concreto betuminoso, já existem vários trabalhos de laboratório que mostram que se pode conseguir misturas asfálticas com agregados lateríticos tão boas quanto àquelas fabricadas com agregados pétreos, o que justifica o bom desempenho de alguns trechos de rodovias pavimentadas utilizando-se agregado graúdo de origem laterítica. 2.5 USO DE AGREGADO LATERÍTICO NA CONSTRUÇÃO CIVIL A Associação Brasileira de Normas Técnicas (1976) relata que a laterita é bem aceita em camada de base, sub-base e revestimento primário, citando a pavimentação das rodovias Belém-Brasília e Transamazônica como exemplo do bom comportamento em serviço de solos lateríticos. Segundo a CODEPLAN (1976), é enorme a quantidade de lateritas endurecidas no Distrito Federal, principalmente nas bordas das chapadas. Segundo esse órgão, a laterita é usada extensivamente no pavimento primário das estradas de rodagem, nos reforços de subleito, na sub-base e base de pavimentos e em fundações de casas, principalmente nos imóveis rurais. Azevedo (1982) cita o uso da laterita como lastro para dormentes da ferrovia da ICOMI ligando Santana a Serra do Navio, no Estado do Amapá, com 26 km de extensão. Bárdossy & Aleva (1990) relatam que tijolos em materiais lateríticos são utilizados até hoje nas construções de casas, muros e pavimentos na região de Kalabar, ao sul da Índia. Segundo Lima (1991), os tijolos fabricados com argila laterítica são utilizados no Estado do Acre em pátios de estacionamento, garagens, acostamento de vias com fluxo de veículos pesados, bueiros, reparos da pavimentação asfáltica e até como agregado para cimento Portland. Para Martins et al. (1998), a existência de vários depósitos lateríticos próximos às vias pavimentadas possibilitou o desenvolvimento das rodovias do Distrito Federal a um custo relativamente baixo. Segundo Amaral (2004), na região Norte e em alguns Estados da região Nordeste, como no Maranhão, as concreções lateríticas podem ser vistas em alvenarias de pedras argamassadas, em arrimos, baldrames, enrocamentos, calçamentos de vias urbanas e de praças, meio fios e sarjetas, como agregados em concreto de cimento Portland, em misturas asfálticas e lastros de ferrovias. As Figuras 7a e 7b ilustram algumas utilizações de concreções lateríticas na construção civil. A falta de uniformidade nas especificações para agregados lateríticos faz aparecerem, à medida que muda o órgão normalizador, diferentes limites de aceitação para um mesmo serviço, o que dificulta a sua utilização. 146 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (a) (b) Figura 7 – a) Revestimento de muro; b) material de base. O limitado número de pesquisas sobre agregados tipo laterítico, seixo, concreções calcárias, escória de aciaria etc. traz como consequência pavimentos com custos elevados, tendo em vista as grandes distâncias de transporte dos agregados convencionais, principalmente em regiões onde são escassos. Outra consequência é o uso indiscriminado de agregados alternativos, sem qualquer conhecimento de suas propriedades de engenharia, o que origina pavimentos que exigem constante manutenção. Nesse sentido, justifica-se o estudo de misturas betuminosas usando agregados alternativos e CAP mais adequado à região, de modo a aplicar de forma racional os recursos minerais disponíveis no local, reduzindo os custos de construção e contribuindo para preservar o meio ambiente. 2.6 Pesquisa realizada com o uso de agregados lateríticos do Distrito Federal e do Estado de Roraima em CBUQ Moizinho (2007) apresentou, em sua tese de doutorado em Geotecnia, desenvolvida na UnB, o comportamento mecânico de quatro misturas betuminosas usinadas a quente utilizando-se agregados lateríticos do Estado de Roraima e do Distrito Federal. Nas misturas, foi usado o CAP 50/70. Nessa pesquisa, após lavagem e secagem ao ar, os agregados foram britados e enquadrados na faixa C do DNIT (2005). Foi mantida a mesma granulometria para as quatro misturas, variando-se apenas o tipo de agregado. As misturas betuminosas foram constituídas por 32,5% de agregado graúdo laterítico, 60% de areia laterítica e 7,5% de fíler laterítico. Foram determinados para os agregados: a absorção, a massa específica real e aparente dos agregados em função do diâmetro, os índices de degradação Marshall e de Washington, a abrasão Los Angeles, a resistência ao esmagamento, a resistência à produção 10% de finos e a resistência ao impacto Treton. Procurou-se verificar a influência da secagem no comportamento mecânico dos agregados, além de suas caracterizações químicas e mineralógicas. Também foram obtidos parâmetros das Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 147 misturas betuminosas por meio da metodologia Marshall, resistência à tração a 25°C, desgaste Cântabro para vários teores de ligantes, resistência à tração retida, módulo de resiliência, resistência à fadiga e deformação permanente. Os resultados obtidos mostraram diferentes comportamentos dos agregados lateríticos para a massa específica dos agregados variando em função do diâmetro (ver Figura 8) e para comportamento mecânico dos agregados frente às variações de temperatura, conforme ilustrado na Figura 9. Essas figuras mostram, respectivamente, que a massa específica varia com a dimensão do agregado e que a resistência dos agregados pode passar por ganhos e perdas com o aumento da temperatura. As duas constatações são do ponto de vista prático relevante e devem ser levadas em conta quando do projeto das estruturas de pavimento. Figura 8 – Massa específica de agregado laterítico em função do diâmetro. JEURI= jazida Euri; J406 jazida vicinal 406DF; J275 jazida vicinal 275DF; BVRR Jazida Boa Vista RR Figura 9 – Resistência dos agregados pesquisados em função da secagem. Para as misturas betuminosas foram obtidos elevados valores de estabilidade e resistência à tração e desgaste Cântabro, decrescendo com o aumento do teor de ligante e variando também com o tipo de agregado, conforme mostrado na Tabela 10. 148 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Tabela 10 – Parâmetros físicos e mecânicos das misturas no teor ótimo de asfalto. Parâmetros Estabilidade Marshall (kN) Fluência (mm) RBV (%) Vazios (%) Massa específica aparente (kN/m3) Resistência à tração diametral (MPa) Desgaste Cântaro (%) Vazios totais Vazios efetivos JEURI J406 J275 BVRR JEURI J406 J275 BVRR Teor ótimo de ligante (%) Teor ótimo de ligante (%) 9% 9% 10% 8% 9% 8% 9% 6% 15,8 16,8 16,9 12,8 15,8 20,1 16,1 18,7 4,6 59 13,7 4,9 59,6 13,3 5,3 64,4 12 5,7 81,5 4,5 4,6 84,5 3,6 5,6 78,7 5 4,5 77,4 5,6 4,1 74,5 5 22,1 21,9 21,7 24,6 22,1 21,6 21,5 24,5 1,95 1,9 1,19 1,6 1,95 2,1 1,4 1,9 12,2 14 6,9 5,7 12,2 16,8 10 9,8 Na tentativa de corrigir os volumes de vazios determinados para as misturas estudadas por meio da metodologia Marshall, aqui denominados vazio efetivo, procurou-se, por meio de uma metodologia pioneira, determinar os vazios conectados do agregado laterítico, levando-se em consideração a diferença de volume de vazios obtidos na mistura betuminosa pelo emprego da densidade aparente do agregado e com o emprego da densidade “real” do agregado. Os vazios efetivos nas misturas pesquisadas (VVef ) foram estimados considerando-se que os vazios conectáveis dos agregados nas misturas betuminosas podem estar totalmente ou parcialmente preenchidos por ligante asfáltico. Portanto, o volume efetivo de vazios nas misturas betuminosas é variável em função da absorção do ligante pelo agregado. Nesse estudo, os vazios efetivos foram calculados admitindo-se o preenchimento de 50% dos vazios conectados dos agregados. A vida de fadiga das misturas pesquisadas foi compatível com misturas densas convencionais encontradas na literatura. Foram obtidas, também, misturas betuminosas com baixa deformação permanente, medida em simulador de tráfego. Também foram realizados ensaios de deformação permanente, tidos como pioneiros, com mudança da metodologia tradicional adotada. Os ensaios foram realizados no simulador de tráfego do laboratório de pavimentação da escola Politécnica da Universidade de São Paulo. A finalidade da mudança da metodologia de ensaio em relação à preconizada pela AFNOR NF P-253-1 foi verificar o efeito nos resultados do ensaio de deformação permanente quando a placa asfáltica era assente em camada Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 149 flexível e não rígida, como acontece no ensaio tradicional, e, assim, procurar aproximar mais os resultados de laboratório com os observados em campo, já que, na prática, o pavimento flexível é apoiado sobre camada de solo deformável ou flexível. Os resultados apontaram para deformações permanentes da placa J406 fabricada com agregado laterítico, no ensaio normalizado, desempenho 30% superior ao obtido com a mesma mistura apoiada sobre solo compactado (CBR = 80 %). O acréscimo de deformação da placa apoiada em camada flexível deve-se, em parte, à deformação sofrida pela camada de solo e pela elevada rigidez da mistura asfáltica J406, que é da ordem de 10200 MPa, fato que exige uma base mais rígida para limitar as deformações nas camadas inferiores do pavimento. Foi ainda dado um foco especial à utilização da fração mais fina oriunda da britagem dos agregados lateríticos como material de enchimento (fíler) nas misturas betuminosas. Os resultados foram considerados satisfatórios. A Figura 10 mostra comparativamente o comportamento obtido para a resistência à tração da mistura J406 com o uso de fíler laterítico e cal nas mesmas proporções. Os resultados obtidos mostram um melhor desempenho desse parâmetro para a mistura com fíler laterítico. O objetivo desse estudo foi o de verificar o comportamento do fíler laterítico em misturas betuminosas com o uso integral de todas as frações, oriundas da britagem das concreções laterícas de maiores diâmetros, evitando, assim, desperdício, reduzindo o custo da mistura e contribuindo para preservação ambiental. Figura 10 – Resistência à tração da misturas J406 com fíler laterítico e filer cal. Ensaios de módulo de resiliência apontam para valores elevados quando do uso do filer laterítico, caracterizando misturas mais rígidas. O efeito do fíler cal foi a diminuição do módulo resiliente de maneira significativa. A Tabela 11 mostra o resultado obtido para uma das misturas pesquisadas. 150 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 11 – Módulo de resiliência para a mistura asálticas J406 com diferentes fíler. MISTURA Teor de ligante (%) MR (MPa) 8,0 14307,8 J406 - fíler laterítico 9,0 10210,8 10,0 8079,8 8,0 9966,5 J406 - fíler cal 9,0 7667,7 10,0 6565,0 DP 1537,6 1802,4 1102,2 432,0 925,3 938,0 MR/σt 6813,2 5374,1 4987,5 8446,2 5596,9 6436,3 DP = Desvio padrão A Figura 11 mostra que o aumento do módulo resiliente (MR) das misturas usando filer laterítico e filer cal guarda proporcionalidade com o teor de CAP e, fixado o Módulo desejado para a mistura o uso do filer laterítico, permite reduzir o teor de CAP e, portanto, o custo do revestimento. Figura 11 – Relação entre módulos resilientes obtidos com misturas fabricadas com filer laterítico e cal nos mesmos teores de ligante asfáltico. Também foi simulado, usando o programa kenlayer, o comportamento mecânico de estruturas de pavimentos, usando como material de revestimento as misturas betuminosas dessa pesquisa. Os resultados apontam para um número de repetições na fadiga da ordem de 107, valor que caracteriza os potenciais de uso dessas misturas em revestimentos asfálticos do tipo meio pesado a pesado. Os níveis de repetições de carga para fadiga dos revestimentos, calculados com as equações obtidas em laboratório, são semelhantes aos valores obtidos quando se determina a vida de fadiga desses revestimentos usando a equação proposta pelo FHWA. Os resultados apontam para N crescente com o aumento da rigidez Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 151 da base, variando dentro da mesma ordem de grandeza para aumentos na sua espessura. Foi apresentado um estudo econômico simplificado dos custos comparativos de misturas convencionais, usualmente empregadas no Distrito Federal e no Estado de Roraima, além de alternativas, propostas nesse trabalho. As misturas lateríticas, com teores ótimos de ligantes próximos aos de misturas convencionais, são bastante atrativas economicamente, principalmente onde a distância de transporte de materiais é grande. Destaca-se, ainda, que, se fixadas as propriedades mecânicas do revestimento, o melhor desempenho das misturas lateríticas gera a redução no teor de CAP e elimina o uso de filers ativos, como a cal ou o cimento, o que torna o projeto ainda mais econômico. 3 CONCLUSÃO Conclui-se que a utilização integral do produto de britagem de concreções lateríticas em concreto betuminoso é uma contribuição muito importante para o desenvolvimento de algumas regiões como o Norte do Brasil, onde há abundância de lateritas e escassez de rochas para a produção de britas. As misturas com as diversas frações da britagem das lateritas podem resultar em revestimentos duradouros e econômicos. Ao mesmo tempo em que se utiliza material local, com consequente redução de custos de transporte, também se evita a produção de rejeitos indesejáveis. Além do mais, evita-se a degradação ambiental provocada pela exploração de jazidas de seixos rolados nos leitos de rios. Estudos complementares se fazem necessários no intuito de normatizar métodos de ensaio condizentes com o uso de agregados lateríticos em obras civis e rodoviárias. AGRADECIMENTOS À CAPES, UFRR, UnB, USP-SP e à Professora Liede Bernucci, ao Professor Edson Moura e aos técnicos e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS AMARAL, S.C. (2004). Estudo de Misturas Laterita-Asfalto da Região Metropolitana de Belém-PA Para Revestimento de Pavimento. Tese (Doutorado em Transportes pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo – EPUSP), São Paulo. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE PAVIMENTAÇÃO (1976). Utilização da laterita em pavimentação. ABPv. 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London, Inglaterra. VILLIBOR D. F.; NOGAMI, J. S.; BELIGNI, M.; CINCERRE, J. R. (2000). Pavimentos com Solos Lateríticos e Gestão e Manutenção de Vias Urbana. ABPV/UFU. São Paulo (SP). WINTERKORN, H.; CHANDRASEKHARAN, E.C. (1951). Laterite Soils and Their Stabilization. HRB. BU LL. N° 44. Capítulo 8 Erosão dos solos Andrelisa Santos de Jesus José Camapum de Carvalho Diógenes Mortari Jairo Furtado Nogueira José Augusto Fázio Marisaides Cruz Goutte Lima Roberto Márcio Macedo Santos 1 INTRODUÇÃO Erosão acelerada e processos associados, tais como inundações e assoreamento, são exemplos de impactos resultantes das intervenções antrópicas que negligenciam as suscetibilidades naturais do meio físico. Almeida Filho & Ridente Júnior (2001) apontam que as erosões são um grave problema no país, tanto em áreas agricultáveis como em áreas urbanizadas. Segundo esses autores, os primeiros registros de erosões urbanas mais expressivas ocorreram há mais de 60 anos, no oeste paulista e noroeste do Paraná. As cidades brasileiras, principalmente as maiores, quase que sem exceção sofrem com o surgimento de erosões de grande porte. As cidades da região Centro-Oeste não são exceção nesse quadro calamitoso, o que motivou o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia a iniciar pesquisas buscando a solução dos problemas com foco na prevenção, no controle e na recuperação. As pesquisas objetivaram a educação, as soluções de baixo custo e pesquisas de ponta, como a que se refere ao uso da biotecnologia. Para ilustrar os problemas regionais, a cidade de Anápolis, no Estado de Goiás, com pouco mais de 100 anos de existência, há mais de 40 anos sofre prejuízos com erosões lineares de grande porte. Atualmente, toda a área urbana e periurbana da cidade é intensamente afetada por esses processos. Lacerda (2003) cartografou pouco mais de 50 voçorocas nessa área. Em mapeamento mais detalhado, específico para a alta bacia urbana do rio das Antas, na mesma cidade, Jesus (2007) cadastrou 14 voçorocas numa área de apenas 17 km2. No Distrito Federal o problema apresenta destaque principalmente sob a forma de voçoroca, que é o estágio mais avançado do processo erosivo iniciado pela formação de sulcos e ravinas (Nogueira, 2005). Martins et al. (2006) identificaram, entre 2004 e 2005, 1.252 áreas com indícios de ocorrência de processos erosivos no Distrito Federal. Segundo Martins et al. (2006), 28% dessas erosões estão em área urbana e 34,53% em área de solo exposto. A maioria das feições erosivas cadastradas, localizadas ao redor de estradas e áreas urbanas, tem como 156 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB causa principal o escoamento concentrado das águas provenientes de lançamentos de esgoto e águas pluviais em locais impróprios e os sistemas coletores de águas pluviais inadequados que provocam enxurradas. Santos (1997) mostrou que também a cidade de Goiânia tem sido vítima dos processos erosivos de grande monta. Considerando a importância das análises geotécnicas para prevenção, identificação, compreensão e mitigação dos processos erosivos, destaca-se a relevante contribuição dos trabalhos desenvolvidos no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília sobre este assunto. Este capítulo tratará da classificação, da fenomenologia e dos procedimentos técnicos para avaliação de erosões, tomando como referência alguns dos aspetos relevantes desses trabalhos para abordagem dos processos erosivos. As contribuições relativas a técnicas de controle e recuperação desenvolvidas serão objeto de outros capítulos deste livro. Salienta-se que este capítulo não tem a pretensão de mostrar todas as contribuições apresentadas pelas dissertações de mestrado e teses de doutorado defendidas no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Ele objetiva apresentar apenas algumas das contribuições aportadas pelos pesquisadores na busca de solução dos problemas regionais relativos à erosão. Os estudos realizados têm contribuído para o entendimento do fenômeno da erosão, proporcionando o desenvolvimento científico e tecnológico. 2 EROSÃO DOS SOLOS: NECESSIDADE DE ABORDAGEM INTERDISCIPLINAR De acordo com Salomão & Antunes (1998), o solo pode ser interpretado de maneiras diversas, conforme cada enfoque científico. Para a Geologia, a formação do solo faz parte do ciclo geológico, sendo um resultado do intemperismo físico e químico das rochas. Para a Agronomia, o solo é a camada superficial arável, possuidora de vida microbiana e nutrientes que permitem o desenvolvimento de plantas. Para a Engenharia Civil, é a camada escavável que perde a resistência em contato com a água e configura-se como uma importante matéria-prima para construção de aterros, estradas, barragens, açudes e outras obras. O solo tem uma importância grande dentro da Engenharia Geotécnica, que se utiliza de conhecimentos tanto da Geologia como da Engenharia para avaliar as propriedades, as características e os comportamentos mecânico e hidráulico dos solos (e também das rochas), com a finalidade de resolver problemas de ordem natural ou que dificultam sua utilização em obras em geral (Salomão & Antunes, 1998; Lepsch, 2002; Das, 2007). Para a Geografia, o solo é mais um elemento que compõe o meio ambiente. Suas características são fundamentais na configuração de espaços geográficos distintos, pois é um produto de síntese entre clima, geologia e relevo. Distintos ambientes podem oferecer diversas possibilidades de apropriação para fins de Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 157 Engenharia, Agronomia e outros. Todavia, quando são feitas sem considerar as características naturais do meio, essas apropriações podem resultar em impactos ambientais. Camapum de Carvalho et al. (2009), apontam as obras geotécnicas como causadoras de grandes impactos ambientais, principalmente em meio urbano. Os processos erosivos acelerados por lançamento inadequado de águas a meia encosta ou em cabeceiras de drenagem, inexistência ou ineficiência de um sistema de drenagem das águas pluviais, ruas muito longas construídas ao longo do declive, exposição do solo, impermeabilização, ocupação de áreas de preservação permanente exemplificam muito bem essa realidade. De acordo com Camapum de Carvalho et al. (2009), é comum na Engenharia a compartimentação dos estudos e projetos, perdendo-se a visão global e integrada e aprofundando-se desproporcionalmente nas questões tópicas. Para esses autores, a concepção de um traçado urbanístico ou a simples construção de um prédio deveriam ter os projetos de arquitetura, estrutura, geotecnia, sistemas hidráulicos integrados entre si e com levantamentos ambientais detalhados. Existem condicionantes ambientais que devem ser valorizados e analisados desde a fase de diagnóstico do terreno. Observa-se, portanto, que um trabalho interdisciplinar entre os vários profissionais é indispensável para uma abordagem integrada dos parâmetros que nortearão os projetos. Casseti (1991,) assegura que a Geografia tem “[...] grandes possibilidades potenciais de enfocar em conjunto o estudo de fenômenos naturais e sociais [...]”.Christofoletti (1999) destaca o geógrafo como um profissional importante em diagnósticos, análises, avaliações e monitoramento de questões ambientais. Segundo Jesus (2009a), a cidade é edificada sobre substratos geológico, geomorfológico e pedológico intrinsecamente relacionados, cujo grau de fragilidade inerente pode influenciar muito na espacialização dos objetos urbanos. Essa visão abrangente pode ser feita pelo geógrafo, mas não é suficiente; ela precisa se complementar com análises técnicas mais pormenorizadas de cada um desses elementos. A Geotecnia, utilizando os princípios da mecânica dos solos e rochas, oferece subsídios fundamentais a essas análises técnicas, uma vez que, como aponta Sousa Pinto (2006), “todas as obras de engenharia se assentam sobre o terreno e inevitavelmente requerem que o comportamento do solo seja devidamente considerado”. De acordo com Lima (2003), a erosão dos solos afeta a vida de muitas maneiras, daí ser um assunto que envolve profissionais de várias áreas do conhecimento, por vezes, com visões distintas sobre o mesmo problema. Entretanto, existe um consenso entre essas áreas de que os fenômenos ocorrentes desde a gênese até a posterior evolução das voçorocas ainda não estão perfeitamente elucidados. No meio geotécnico, maior importância tem sido dada ao estudo da erodibilidade dos solos e ao diagnóstico e controle de ravinas e voçorocas. Como o fenômeno erosivo depende de inúmeros fatores, sua ocorrência se dá de forma diferenciada de região para região. Logo, a implementação de métodos de controle depende do entendimento detalhado do processo evolutivo de cada erosão, como será demonstrado nos itens a seguir. 158 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 3 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS EROSIVOS A erosão pode ser hídrica (pluvial, fluvial, de subsuperfície e marinha), eólica e glacial. Ousa-se aqui dizer que a erosão hídrica, talvez, não seja o tipo de erosão mais comum, mas, com certeza, é um dos mais (senão o mais) impactante. É de se presumir que a erosão eólica seja a expressão mais generalizada do fenômeno erosivo, pois a atuação dos ventos é contínua e se dá ao longo de todo o ano, nas diferentes regiões do globo terrestre, variando apenas em intensidade. A poeira notada no dia a dia, apesar de constituir uma erosão perceptível e, portanto, comum, quase sempre não é impactante. A erosão como processo é muito importante na esculturação da superfície terrestre, sendo, como apontam Almeida Filho & Ridente Junior (2001), um processo natural de desenvolvimento da paisagem. Para esses autores, a atuação lenta e contínua dos processos erosivos modifica a forma do relevo, normalmente após longos períodos de tempo. A atuação dos vários agentes erosivos sobre a superfície da terra tem provocado a diminuição, natural, de apenas 1/10 de milímetro da altitude do relevo durante cada ano (Guerra & Guerra, 2001). Nessa velocidade, se fosse desconsiderado o rejuvenescimento de algumas porções da terra por meio de orogênese e vulcanismo, o arrasamento completo das terras emersas levaria cerca de 7.000.000 anos. Contudo, cabe destacar que o processo natural de erosão do solo pode ser acelerado pelo homem por meio da ocupação inadequada do meio físico. Esse tipo de erosão desencadeada pela ação humana é conhecido na literatura como erosão acelerada, erosão antrópica ou erosão antropogenética. A erosão-processo envolve todo um conjunto de ações evolutivas (desagregação/ transporte/sedimentação) que poderão se materializar com determinada Figura 1 – Processos e formas erosivas. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 159 aparência e estrutura e que permitirão distinguir as formas erosivas em sulcos, ravinas ou voçorocas. Veja-se que essas são formas aparentes, visíveis, mas existem ainda as que se processam no interior do maciço, gerando sua esqueletização. Tais manifestações são processos erosivos por si sós, os quais contribuem para o processo evolutivo dessas formas de erosão exteriorizadas, conforme mostrado por Lima (2003). Essas formas não são estáticas e imutáveis; elas são extremamente importantes na determinação de novos processos, como, por exemplo, os movimentos de massa (Figura 1). 4 GÊNESE E PROCESSO EVOLUTIVO A capacidade da erosão de atuar em determinadas áreas depende, segundo a maioria dos autores, das características climáticas, geológicas, geomorfológicas, pedológicas e da cobertura vegetal dessas áreas (Silva et al., 2003; Almeida Filho & Ridente Junior, 2001; Infanti Junior & Fornasari Filho, 1998; Iwasa & Fendrich, 1998; Salomão & Iwasa, 1995; IPT, 1991; DAEE/IPT, 1990). A influência dessas características se dá no âmbito do conjunto (Figura 2). Santos (1997) aponta que as características do Município de Goiânia em relação a geologia, geomorfologia, solos e clima constituem fatores condicionantes dos processos erosivos atuantes. A intervenção antrópica sobre esse substrato do meio físico modifica as formas de atuação das forças erosivas, ao alterar a intensidade das chuvas. As formas de escoamento superficial proporcionam a ocorrência do fenômeno indiscriminadamente em todo o município. Uma vez deflagrado o processo erosivo, os elementos do meio físico condicionarão a forma e intensidade de evolução da erosão. Figura 2 – Fatores condicionantes da erosão. 160 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4.1 Clima A precipitação é o elemento mais importante do clima no que se refere aos processos erosivos. Seu impacto sobre o solo sofre forte influência do vento. O impacto das gotas de chuva sobre o solo favorece a desagregação das partículas do solo, além do que a água também atuará como agente de transporte dessas partículas. Conforme afirmam Almeida Filho & Ridente Júnior (2001), a ação erosiva da chuva depende de sua distribuição e intensidade no tempo e no espaço. A capacidade erosiva da chuva é denominada de erosividade. Segundo Moreira & Pires Neto (1998), mesmo com totais de precipitação iguais, chuvas pouco intensas de longa duração provocam menos danos se comparadas às chuvas curtas e muito intensas. Infanti Junior & Fornasari Filho (1998) destacam que chuvas torrenciais, precedidas por períodos chuvosos responsáveis pela saturação do solo, determinam em locais de escoamento concentrado feições erosivas que se expandem com muita velocidade. As análises de estabilidade e os perfis de umidade de voçorocas do Distrito Federal mostraram, segundo Mortari (1994), a influência do período chuvoso, com o avanço de uma frente de saturação, gerando queda nos parâmetros de resistência dos solos e, muitas vezes, instabilizando os taludes das voçorocas. 4.2 Geologia Segundo Díaz (2001), em solos residuais e rochas meteorizadas, a erosividade está relacionada intimamente com o tipo e as características da rocha parental. As principais características litológicas que podem condicionar a erosão são o grau de fraturamento das rochas, a intensidade do intemperismo, a natureza do material alterado especialmente no que se refere à textura. Infanti Junior & Fornasari Filho (2001) destacam que, nas rochas pré-cambrianas, a ocorrência de voçorocas e ravinas está associada aos solos resultantes da alteração de rochas xistosas, gnáissicas e graníticas. No geral, quanto mais félsicas (ou mais ricas em quartzo e muscovita), mais friáveis serão quando decompostas. A xistosidade e a foliação também favorecem o desenvolvimento de erosões. Segundo Mortari (1994), as erosões no Distrito Federal apresentam um quadro evolutivo diferenciado dos processos ocorrentes em outras regiões do Brasil, resultantes dos condicionantes geológico-geotécnicos que refletem uma tectônica regional complexa envolvendo falhamentos, dobramenos e redobramentos de mais de um ciclo de deformações. O perfil do subsolo é composto basicamente por uma camada superficial recobrindo saprólitos de ardósias e metarritimitos compostos por alternância de camadas cujo mergulho chega a atingir a ordem de 40º a 60º. Sob a influência dessas condições geológicas, o fluxo d’água passa Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 161 a ser orientado, e as erosões evoluem segundo um modelo encaixado, materializando, em perfil, uma forma em “V”, praticamente inexistindo o alargamento da base das voçorocas (Figuras 3 e 4). Fonte: Mortari (1994) Figura 3 – Modelos evolutivos das erosões do Distrito Federal. Fonte: Mortari (1994) Figura 4 – Voçoroca com modelo evolutivo em “V”. Lima (1999), pesquisando o processo evolutivo de voçorocas na área urbana de Manaus, AM, verificou que o contexto geológico é um fator predisponente para o processo evolutivo das voçorocas regionais. Vários feixes de falhas transcorrentes dextrais de direções E-W e NE-SW caracterizam a neotectônica de Manaus. As falhas afetam o perfil laterítico pleistocênico, gerando deslocamentos nas concreções lateríticas. A autora observou que todas as voçorocas estudadas apresentam certas características em comum, com fraturas na superfície, nas paredes e nos taludes verticais, além de grandes blocos de solo caídos. Comparando-se a orientação do avanço das cabeceiras das erosões e dessas fraturas com a orientação das falhas provenientes dos movimentos neotectônicos, observa-se uma notável coincidência entre essas orientações, indicando que a gênese e o processo evolutivo dessas voçorocas estão associados às falhas. Nota-se, portanto, que o processo evolutivo das voçorocas na área urbana de Manaus sofre grande influência de aspectos relacionados à geologia estrutural, e os solos auxiliam nesse processo de forma secundária. Com base nos ensaios geotécnicos, Lima (1999) verificou que o perfil de solo da região de Manaus é bastante uniforme, apresentando uma camada argilosa; à medida que diminui a cota em relação ao nível do mar, o solo torna-se mais arenoso. Destaca-se que as erosões da região ocorrem tanto na camada argilosa como na camada arenosa. 162 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4.3 Geomorfologia A influência do relevo na erosão está associada principalmente à declividade, ao comprimento e à forma de vertente. Quanto maior o declive, maior a velocidade do escoamento. Se o comprimento de vertente também for extenso, essa velocidade se amplia ainda mais. Bertoni & Lombardi Neto (1999) destacam que um terreno com 20 metros de comprimento e 20% de declividade tem a mesma taxa de perda de terra que um terreno de 180 metros e 1% de declividade, nas mesmas condições de chuva, tipo de solo e tipo de cobertura e manejo. Vertentes convexas, retilíneas e côncavas influenciam, de maneira distinta, no volume e na velocidade do escoamento superficial. As vertentes com curvas de nível côncavas e perfil côncavo e as vertentes com curvas de nível côncavas e perfil convexo, por exemplo, são concentradoras do fluxo superficial. Ao contrário, as vertentes com curvas de nível convexas e perfil convexo e as vertentes com curvas de nível convexas e perfil côncavo fazem com que as linhas de fluxo d’água sejam dispersadas. Portanto, os dois primeiros tipos de vertentes podem induzir mais facilmente a ocorrência de incisões erosivas (Figuras 5 e 6). Santos (1997) identificou dois tipos básicos de voçorocas associadas às características morfométricas do relevo no Município de Goiânia, GO. No primeiro grupo, estão as voçorocas de aspecto linear, quando vistas em planta, formadas em regiões de média declividade, cujos principais mecanismos de atuação são o fluxo superficial e os movimentos de massa. No segundo grupo, incluemse as voçorocas de aspecto semicircular, formadas em regiões de ruptura de declive, cujos mecanismos de evolução atuam de forma mais complexa, devido à interação entre processos de erosão pelo fluxo superficial, erosão interna devida ao elevado gradiente hidráulico e movimentos de massa. Fonte: (Google Earth, 2009) Figura 5 – Voçorocas evoluindo no terço inferior da vertente, a partir da ruptura de declive positiva onde a interceptação do lençol freátio é mais fácil – Anápolis, GO. Fonte: (Google Earth, 2009) Figura 6 – Voçoroca em cabeceira de drenagem, onde o relevo em planta e em perfil apresenta morfologia côncava – Anápolis, GO. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 163 4.4 Solo O solo, além de ser um fator que influencia na gênese da erosão, também é afetado por ela (DAEE/IPT, 1990). A capacidade do solo em resistir à erosividade da chuva é denominada de erodibilidade. Destacam-se as seguintes características do solo que influenciam na sua erodibilidade: composição químicomineralógica, presença de matéria orgânica, textura, estrutura e umidade. Tais características intervêm diretamente na estabilidade estrutural do solo e na sua drenabilidade (permeabilidade), responsáveis diretos pela maior ou menor resistência dos solos frente aos processos erosivos. A composição químico-mineralógica confere ao solo coesão real e é definidora do seu potencial de expansão e contração, comportamentos que interferem diretamente na erodibilidade. Aqui cabe destaque à relação direta dessa característica com a maior ou menor susceptibilidade do solo à erosão em consequência de mudanças químicas do meio, como as que ocorrem oriundas do escoamento superficial e/ou infiltração das águas servidas. No que se refere à textura, deve-se considerar que as partículas de solo não são igualmente deslocadas pela água. As partículas mais finas, como a argila, vencida a força de coesão, são facilmente deslocadas e transportadas. Partículas maiores, como areia grossa, pedregulho e matacões, são, nessa escala, mais resistentes à erosão e tendem a se acumular sobre a superfície. O que diferencia a resistência de um solo argilo-siltoso daquela de um solo granular frente à erosão é a natureza das energias que resistem. Enquanto no primeiro elas são de natureza interna, a coesão, no segundo elas provêm da energia gravitacional, a massa, responsável pela maior ou menor força de atrito que resiste ao processo erosivo. Ainda quanto à textura, os solos com teores consideráveis de silte geralmente concorrem para uma elevada erodibilidade. Essa característica associa-se a solos jovens, como o Cambissolo, ou ao horizonte C de rochas félsicas com rocha alterada de estrutura conservada. A estrutura do solo diz respeito à organização das partículas de argila, silte e areia isoladamente ou em agregados com características variadas. As partículas isoladas se organizam em estruturas floculadas e em estruturas orientadas ou dispersas nas argilas e em estruturas simples ou alveolares nos solos siltosos e arenosos. Nas estruturas que marcam as partículas de argila isoladas, a floculada resulta de interações face-bordo combinando cargas negativas com positivas, o que lhes confere coesão e maior resistência à erosão. Nas estruturas orientadas, predominam interações face-face e bordo-bordo e, portanto, interações de cargas semelhantes, contribuindo para a atuação de forças repulsivas. Essas estruturas, no entanto, só são comuns em regiões tropicais nos solos residuais jovens ou que, ainda nesse estágio de formação, foram recém-transportados, pois nos solos profundamente intemperizados, sejam eles de origem residual ou transportada, a tendência das partículas é a de se aglutinarem, formando agregados que lhes conferem característica textural de solo granular. Nos solos siltosos e 164 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB arenosos, a estrutura menos estável frente à erosão é, pelo próprio arranjo dos grãos, a alveolar. Nos solos profundamente intemperizados, a agregação e lixiviação ocorridas ao longo do tempo conferem-lhes estrutura porosa, que é, ao mesmo tempo, altamente permeável e geralmente pouco resistente à erosão. A resistência à erosão depende da natureza do cimento formado entre os agregados. Sendo estes constituídos por pontes de argila, o solo é geralmente mais erodível. A matéria orgânica geralmente atua no solo conferindo-lhe agregação e maior estabilidade estrutural, tornando-o menos erodível Tem-se ainda como nomenclatura dos principais tipos de estrutura os grânulos, as colunas, os prismas e os blocos. Finalmente, destaca-se como relevante a umidade em que se encontra o solo. Ela é importante por interferir diretamente na resistência e na infiltrabilidade da água no solo. A sucção/capilaridade, que confere ao solo coesão aparente, é função da porosidade e do teor de umidade presente no solo. Além de eventual expansão, o aumento de umidade e diminuição da sucção proporcionam a redução da coesão aparente do solo; ao contrário, a sua diminuição e o aumento da sucção podem provocar contração e ser responsáveis pelo aumento dessa mesma coesão aparente. Mas a sucção, além de conferir ao solo coesão aparente, interfere em outros mecanismos controladores do processo erosivo. Assim, por um lado, o recobrimento do solo com uma lâmina d’água ou o envolvimento de um torrão ou agregado por água, ao colocar a fase ar sob pressão positiva, pode proporcionar a desagregação do solo quando esta pressão ultrapassa a coesão real e as forças de atrito oriundas da componente gravitacional proveniente da massa do grão ou agregado, favorecendo a erosão. Por outro lado, essa mesma frente de ar que é colocada sob pressão positiva por ação da sucção forma uma barreira impermeabilizante, impedindo a infiltração e proporcionando maior escoamento superficial, o que amplia, por sua vez, a erosividade da água. No entanto, diante desse cenário, não se deve buscar a redução da umidade, porque ela gera um ganho de coesão. Esse parâmetro contribui para a menor erodibilidade do solo, pois, sendo nesse caso a coesão aparente, o seu efeito é temporário. O relevante é assegurar a proteção do solo contra os efeitos deletérios da perda de coesão e da força desagregadora do ar sob pressão, uma vez que, sendo o mecanismo de interação solo-água-atmosfera complexo, o mais seguro é preservar essa proteção do solo quando se pretende evitar erosão. Inserindo-se na discussão de peculiaridades que marcam a erodibilidade dos solos, a permeabilidade, por ser diretamente responsável pela quantidade de água que infiltrará no solo, é um parâmetro relevante para a avaliação da erodibilidade de um determinado maciço. Ela depende da estrutura, porosidade e distribuição dos poros e umidade. A maior permeabilidade dos solos arenosos se deve à elevada presença de poros de grandes dimensões, ou seja, à macroporosidade marcante. Os solos argilosos, pela finura textural, mesmo apresentando porosidade semelhante à de uma areia, apresentam poros menores e são menos Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 165 permeáveis. No entanto, se essas argilas ou argilas e siltes, ou ainda argilas, siltes e areias, se aglutinam, formando os agregados presentes nos solos tropicais profundamente intemperizados, o solo passa a apresentar estrutura marcada pela presença de macro e microporos e tem a sua permeabilidade aumentada, aproximando-se daquela das areias. Considera-se também que solos rasos saturam rapidamente e a água passa a escoar sobre a superfície, provocando a desagregação de partículas. O relevo também exerce influência na dinâmica da água dentro do solo. Palmieri & Larach (2000) destacam que, nas partes altas e relativamente planas, os solos apresentam boa drenagem interna; nas encostas com declives mais acentuados, a drenagem é boa ou excessiva, enquanto nas partes inferiores das vertentes e nas áreas de várzea e/ou depressão, os solos são imperfeitamente drenados ou mal drenados, dependendo da proximidade do lençol freático em relação à superfície do terreno. Essas condições de drenagem não só são definidoras da formação do solo, como também intervêm diretamente nas condições de fluxo e, portanto, na erodibilidade do maciço. Segundo Mortari (1994), no Distrito Federal as áreas afetadas por processos de voçorocamento são constituídas por perfis de solo residuais ou transportados, fisicamente bastante homogêneos, porosos, estruturados e colapsíveis e isentos de trincas e fissuras. Como visto, as tensões de sucção têm um efeito importante na resistência dos solos não saturados e as frentes de saturação geram nesses solos diminuição significativa da resistência, resultando em processos de instabilização de taludes das ravinas e voçorocas. Lima (2003), estudando a evolução dos processos erosivos no Distrito Federal, verificou grande influência da alteração dos solos em pequeno espaço de tempo na dinâmica evolutiva das erosões. A pesquisadora constatou que, em algumas voçorocas, ocorre perda da fração fina junto às faces da voçoroca, redução na plasticidade e dos oxi-hidróxidos de ferro e alumínio. Em outras, há um processo de carreamento e acumulação de finos junto às faces da voçoroca, provocando o aumento da fração fina e da plasticidade nessas zonas. Verificou, ainda, que a instalação das ravinas e voçorocas provoca a alteração das propriedades químicas e mineralógicas do maciço à medida que delas se aproxima. Dessa forma, pode-se afirmar que as propriedades físico-químicas e mineralógicas dos solos sofrem influência do fluxo em consequência do processo de voçorocamento; no fluxo saturado, ocorre o processo de lixiviação e, quando da predominância do fluxo não saturado, ocorre tendência ao aporte de material para a zona próximo às bordas da voçoroca. Na maioria das voçorocas estudadas por Lima (2003), pode-se verificar que as variações que ocorrem nas propriedades dos solos se dão de modo mais marcante até uma distância de 20 m da borda. É certo que essa distância tende a aumentar com a profundidade da voçoroca, pois é estaque comanda o fluxo tanto em meio saturado como em meio não saturado. Embora as diferenças entre as propriedades das voçorocas possam ser também devidas a outros fatores, como 166 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB a geologia, ficou claro, na pesquisa de Lima(2003) que o meio saturado e não saturado exercem uma influência marcante no processo de alteração (Figura 7). Figura 7 – Alteração do solo junto à erosão (Lima, 2003). A erosão interna ocorre no interior do maciço, podendo se instalar de duas formas: concentrada, dando origem ao fenômeno da tubificação ou piping, e dispersa, originando a esqueletização do maciço. O piping ocorre em consequência do carreamento de partículas e se faz presente, segundo Santos (1997), na maioria das voçorocas. Os fenômenos de desabamentos, descalçamentos e solapamentos que ocorrem em voçorocas estão intimamente relacionados ao processo de piping. Santos (1997) verificou que o principal mecanismo instabilizador dos taludes das voçorocas estudas por ele em Goiânia é o solapamento das bases dos taludes, por ação do fluxo superficial e/ou em consequência de erosão interna. O mecanismo de atuação dos piping é, muitas vezes, complexo e o seu reconhecimento no campo nem sempre é fácil. A identificação do piping em campo pode ser feita, segundo Hargert (1999), por indicadores diretos e indiretos. No caso de indicadores diretos, destaca-se a surgência de águas turvas indicando a remoção do material. Evidências indiretas referem-se a cavidades no talude e depósitos de sedimentos localizados abaixo das cavidades (Figuras 8 e 9). Figura 8 – Piping associado à infiltração concentrada a montante. Figura 9 – Piping em talude de voçoroca em Goiânia, GO (Santos, 1997). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 167 Além disso, prognóstico do potencial de surgimento de piping pode ser feito por meio do ensaio de laboratório denominado de Pinhole Test, também conhecido como ensaio do furo de agulha. Esse ensaio, segundo a proposta original, se presta a determinar direta e qualitativamente a dispersividade de solos argilosos, fornecendo a diferenciação básica entre argilas altamente dispersivas e não dispersivas. O Pinhole Test, proposto por Sherard et al. (1976), está no Brasil normatizado pela NBR 14.114 (ABNT, 1998). Nesse ensaio, a dispersividade é avaliada qualitativamente a partir de um fluxo de água destilada através de um pequeno furo feito axialmente no corpo-de-prova, com imposição de diferença de carga hidráulica entre a entrada e a saída. A resistência à erosão é estimada pelo diâmetro final do furo, pela coloração da água que sai e pela vazão de percolação. Santos (1997), no entanto, introduziu modificações nesse procedimento de modo a avaliar complementarmente o potencial de esqueletização do solo. Em sua proposta, ele realiza o ensaio aplicando estágios de cargas hidráulicas que aumentam gradativamente o gradiente hidráulico até atingir o gradiente máximo previsto para o campo. Em seguida, a proposta prevê a redução gradativa da carga hidráulica até atingir as condições iniciais de gradiente hidráulico nulo. Seguindo esse procedimento, Santos (1997) verificou que o ensaio de Pinhole também pode ser usado na previsão de processos erosivos de esqueletização (erosão mecânica) e não apenas na de erosão por dispersão, conforme a proposta original de Sherard et al. (1976). Santos (1997) observou que, para solos erodíveis, mas não dispersivos, a curva de retorno, ou seja, aquela relativa à diminuição dos valores de gradiente hidráulico até atingir gradiente nulo, apresenta uma trajetória bastante diferente daquela apresentada pela curva inicial gerada pelo aumento gradiente hidráulico. Evidencia-se, assim, de forma bastante clara, a ocorrência do processo erosivo por esqueletização. Santos (1997) destaca ainda, que, no caso de ocorrência de erosão interna por dispersão, ocorre uma inflexão marcante no gráfico que fica com concavidade voltada para cima devido ao aumento da área do furo (Figura 10, curva de traço contínuo referente ao solo BP6, fase de carga). Essa mesma curva, ao mostrar a linha de descarga totalmente distinta da de carga, indica que o solo também sofreu processo de esqueletização. A amostra BP6 em discussão foi coletada em um talude com evidências de piping (Figura 9). Com relação aos solos não erodíveis, observam-se pequenas diferenças entre a curva inicial e a curva de retorno e não ocorre a inflexão oriunda de aumento excessivo da vazão com crescimento do gradiente hidráulico, conforme mostra a Figura 11. Camapum de Carvalho et al. (1987) apontam que a dispersão do solo pode ser influenciada pelo tipo de líquido percolante. Líquidos percolantes com pH ácido são capazes de agir sobre o óxido de ferro, material que atua como cimento nos solos lateríticos, tornando o solo com comportamento dispersivo. 168 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 10 – Resultados dos ensaios de Pinhole, onde ocorre inflexão marcante da curva de retorno. Figura 11 – Resultados dos ensaios de Pinhole, onde não ocorre inflexão da curva de retorno. Buscando contribuir para o entendimento dos mecanismos de alteração do solo submetido ao fluxo em meio não saturado, Nogueira (2005) analisou, a partir de blocos de amostras indeformadas e da utilização de um modelo físico de laboratório, a alteração das propriedades e do comportamento do solo ao ser submetido a fluxo capilar de três tipos de fluido: água, solução de NaCl e solução de cal hidratada. Os resultados obtidos mostram alterações físico-químicas e de comportamento mecânico do solo. Para determinar o potencial de erosão superficial, Fácio (1991), pesquisando sobre a erodibilidade dos solos da região do Distrito Federal, utilizou um equipamento baseado na proposta de Inderbitzen (1961). O aparelho foi especialmente projetado e construído para tal intento e permite a realização de três ensaios simultâneos. Foram determinados valores ideais de trabalho com relação a vazão, declividade da rampa e tempo de ensaio, que possibilitaram a sua Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 169 normalização para os solos estudados. Os valores são: vazão igual a 50 ml/s, declividade da rampa igual a 10º e tempo de duração do ensaio igual a 20 minutos (Figura 12). Figura 12 – Inderbitzen modificado por Fácio (1991). Após a realização dos ensaios normalizados, foram estudadas algumas tendências de comportamento da erodibilidade dos solos. Os resultados obtidos permitiram verificar as seguintes tendências de comportamento: a perda de solo aumenta quando o grau de saturação diminui, com o aumento da vazão e com o aumento da declividade da rampa; a perda de solo mais significativa ocorre nos primeiros 5 minutos de ensaio. Fácio (1991) concluiu também que o estabelecimento de correlações só seria possível em análises estatísticas multiparamétricas. Santos (1997) observou que ensaios de Inderbitzen realizados nos horizontes superiores mostram que estes possuem suscetibilidades semelhantes à atuação dos processos erosivos por fluxo superficial. Já nos horizontes inferiores, menos intemperizados, a diferença é bastante acentuada. Segundo esse autor, as modificações que ele adotou no aparelho construído por Fácio (1991), com a redução da largura da rampa e a redução proporcional da vazão, asseguram um fluxo d’água sobre a amostra, constante e homogêneo ao longo do ensaio, permitindo a obtenção de resultados mais precisos. Comparando os resultados obtidos por Lima (1999) para Manaus, Santos (1997) para Goiânia e Fácio (1991) para o Distrito Federal, verifica-se que, embora a origem, os tipos de solos, a litologia e a formas de evolução das erosões sejam bem distintos, para os casos de Manaus e Goiânia, os valores de perda de solo são muito semelhantes. Por outro lado, os valores de perdas de solo do Distrito Federal foram muito superiores aos dois casos anteriores (Tabela1). 170 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 1 – Perda de solo determinada pelo ensaio de Inderbitzen. REGIÃO EROSÕES MANAUS (Lima, 1999) Distrito GOIÂNIA (Santos, 1997) JB – 1 JB – 4 VC – 1 VC – 5 VP – 1 VP – 5 BP – 1 DISTRITO FEDERAL (Fácio, 1991) Ceilândia 1 Ceilândia 2 Taguatinga 1 Taguatinga 2 Sobradinho 1 Sobradinho 2 Gama 1 Gama 2 Samambaia Prof. (m) 1 3 5 7 8,5 0,2 3,3 0,4 9 0,4 12 0,4 19 2,5 9 2,5 3 3 14 2,5 3 Areia Argila (%) (%) 38,5 26 61 28 49,5 36 60 33,5 55 32 38,5 51 31,8 36 38,4 43 55,8 7 49,3 35,3 61,1 8,5 58,6 32 20 12 64 16 62 14 46 27 37 52 14 67 10 14 6 4 76 20 Ip (%) 21,4 16,2 12,2 9,9 4,2 12 10 15 8 7 NP 13 NP NP NP NP 5,4 10,2 NP NP NP Perda de solo (x10³) g/mm² 0,50 0,60 0,23 0,90 0,10 0,45 0,05 0,40 1,70 0,20 0,84 0,20 7,00 1,00 2,70 4,20 7,00 6,00 4,00 5,00 11,50 4.5 Cobertura Vegetal A vegetação é a cobertura natural do solo, que dificulta a ação erosiva da água. Segundo Salomão & Iwasa (1995), ela é responsável por: proteger o solo do impacto direto das gotas de chuva; dispersar a energia do deflúvio; aumentar a infiltração através dos poros produzidos pelo sistema radicular, e aumentar a capacidade de retenção de água. Silva et al. (2003) apontam o papel importante da serapilheira como barreira ao fluxo superficial impedindo a formação de linhas de escoamento. Na Tabela 2, é possível notar a importância da cobertura vegetal, pois, em áreas vegetadas, o escoamento superficial tende a ser inferior a 50%. Já se a área estiver impermeabilizada, a porcentagem de infiltração é inferior a 5%, o restante escoando superficialmente e agindo no processo erosivo. Lepsch (2002) aponta que os solos com culturas anuais, como milho, algodão e soja, estão muito mais Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 171 expostos à erosão do que os cultivados com plantas perenes, como a seringueira, a laranjeira e o cafeeiro, ou plantas semiperenes, como a cana-de-açúcar. Tabela 2 – Coeficientes de escoamento superficial segundo os tipos de cobertura do terreno. CARACTERÍSTICAS DA BACIA COEFICIENTE DE ESCOAMENTO Superfícies impermeáveis 90-95% Florestas e matas de árvores de folhagem em terrenos com declividades variadas 5-50% Fonte: Adaptado de Villela & Mattos (1975 apud Jorge & Uehara, 1998). Todas essas características do meio físico influenciam a erosão potencializada mediante as variadas formas de uso e ocupação do solo, conforme será detalhado no tópico seguinte. 4.6 Uso do solo Na literatura concernente à erosão, os autores são unânimes em apontar a ocupação humana como um fator decisivo na aceleração dos processos erosivos. Segundo Drew (1994), o mais negativo dos efeitos do homem sobre o solo consiste em criar condições para que se dê a erosão parcial ou total. Tanto as formas de ocupação urbana, como as formas de ocupação rural do solo promovem o desmatamento para implementarem suas respectivas ações e infraestrutura. Logo, o desmatamento seria uma das primeiras formas de atuação humana que impactam o meio ambiente, resultando na perda da proteção natural do terreno, como exposto no item anterior. Na falta da cobertura vegetal, é necessário que se implemente, tanto nas áreas rurais como nas urbanas, infraestrutura adequada para evitar o fluxo concentrado do deflúvio. No caso das áreas rurais, recomendam-se terraceamentos, camalhões, plantio em curvas de nível, instalação de bebedouros para animais nas áreas mais planas, evitando que estes criem trilhas vertente abaixo até os cursos d’água. Em áreas urbanas, a primeira recomendação que se faz é a de que a ocupação do solo se dê de modo progressivo e acompanhado da implantação de infraestrutura, evitando-se a ocupação esparsa e os desmatamentos e arruamentos inoportunos. Recomenda-se, ainda, evitar os sistemas de arruamento com ruas muito longas perpendiculares às curvas de nível, ocupação de cabeceiras de drenagem, fundos de vale e áreas muito inclinadas. Também é extremamente importante o disciplinamento das águas superficiais com instalação 172 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB de sarjetas, bocas de lobo, galerias condutoras e equipamentos dissipadores da energia do escoamento. No entanto, como essas recomendações não são geralmente observadas, principalmente em meios urbanos, mesmo terrenos pouco suscetíveis à erosão, ao serem ocupados de maneira inadequada, passam a apresentar incisões erosivas de forma intensa e acelerada (Almeida Filho & Ridente Júnior, 2001). Segundo Iwasa & Fendrich (1998), a maioria dos municípios brasileiros é afetada por erosões lineares, causadas principalmente pela concentração de águas do escoamento superficial. Lima (1999) identificou que, em Manaus, a gênese dos processos erosivos está diretamente ligada à concentração excessiva de águas superficiais. Observa-se, portanto, que o grande detonador da erosão urbana é o escoamento superficial concentrado sobre áreas impermeabilizadas, com sistema de drenagem ineficiente ou inexistente. O lançamento de águas em locais inadequados, como à meia vertente, ou em cabeceiras de drenagem também são grandes causadoras de erosão (Figuras 13 e 14). Camapum de Carvalho et al. (2006) destacam que, em obras de engenharia como barragens, linhas de transmissão e rodovias, o lançamento inapropriado de águas e o abandono de áreas de empréstimo exploradas sem os cuidados técnicos adequados também podem estar relacionados à gênese de processos erosivos. Figura13 – Escoamento superficial em rua desprovida de sistema de microdrenagem. Figura14 – Lançamento águas pluviais em cabeceira de drenagem. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1998). NBR 14114: Solo – Solos argilosos dispersivos. Identificação e Classificação por meio do ensaio do furo de agulha (Pinhole Test). 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Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Faculdade de Tecnologia, UnB, Brasília, DF. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 175 SHERARD, J. L.; DUNNIGAN, L.P.; DECKER, R.S.; STEELE, E.F. (1976). Pinhole test for identifying dispersive soils. Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, 102 (1). SILVA, A. M. et al. (2003). Erosão e Hidrossedimentologia em Bacias Hidrográficas. São Carlos: Rima. SOUZA PINTO. C. (2006). Curso Básico de Mecânica dos Solos. São Paulo: Oficina de Textos. Capítulo 9 Influência da biomineralização em algumas propriedades físico-mecânicas de um perfil de solo tropical Yamile Valencia González Claudia Maricela Gómez Muñetón José Camapum de Carvalho Ângela Patrícia Santana Fernando Araripe Gonçalves Heloisa Helena A. B. da Silva 1 INTRODUÇÃO Os solos tropicais são solos influenciados, dentre outros, por fatores climáticos, geológicos, hidrológicos e pela própria ação humana (Lima, 2003), gerando uma extensa variedade de perfis com uma ampla variação em suas propriedades geológico-geotécnicas. Poucos são os estudos já realizados que buscam relacionar as características químicas e mineralógicas com os processos de degradação e comportamento mecânico dos solos e, menos ainda, as pesquisas na área da geotecnia no âmbito da “biotecnologia” ou “bioengenharia”, que procuram, a partir da utilização de microrganismos, melhorar as propriedades geotécnicas dos solos. A maioria dos estudos em biotecnologia tem foco no entendimento do comportamento das bactérias e sua interação com muitos dos minerais presentes na natureza, ou sua aplicação na descontaminação de solos, aproveitamento de recursos hídricos e restauração de esculturas (Tiano et al., 1999). Em geral, são poucas as pesquisas que objetivam analisar a melhoria das propriedades e do comportamento geotécnico dos solos por ação das bactérias. No estudo apresentado neste capítulo, aplicaram-se informações relacionadas às bactérias, oriundas de outras áreas de conhecimento, na busca de solução para os problemas de erosões. Empregaram-se no estudo, técnicas de biomineralização induzida, na qual se gera um mineral pela estimulação da população bacteriana por meio de um nutriente. Especificamente, estudou-se o melhoramento das propriedades físicas e mecânicas de um perfil de solo tropical por meio da aplicação, na microflora nativa, de um nutriente precipitador de carbonato de cálcio. Adicionalmente, estudou-se como a biomineralização influencia nas propriedades físicas e mecânicas após a compactação de um dos solos do perfil, com o intuito de verificar a aplicação da biotecnologia em pavimentação. Uma das características que marcam essa linha de pesquisa é a necessidade de o pesquisador trabalhar em um grupo multidisciplinar com variedade de profissionais (engenheiros, microbiólogos, geólogos, etc.) para, combinando os 178 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB conhecimentos das áreas relacionadas, obter uma proposta mais adequada para a solução de problemas de engenharia. Além do seu caráter inovador, esta pesquisa permitirá um avanço no desenvolvimento tecnológico do país. 2 BIOMINERALIZAÇÃO A biomineralização é um processo comum na natureza mediante o qual os organismos vivos formam precipitados minerais cristalinos ou amorfos. Destes, aproximadamente 80% são cristalinos e 20% são amorfos. O cálcio constitui em torno de 50% de todo o biomineral conhecido (Soto, 2003). A biomineralização ocorre por reações químicas entre íons específicos ou compostos, como resultado das atividades metabólicas de um organismo em certas condições ambientais. A “Carbonatogênese” é um bom exemplo de biomineralização, na qual se produz a precipitação de carbonatos (Lee, 2003). A precipitação do carbonato de cálcio (CaCO3) ocorre pela seguinte reação de equilíbrio: Ca+ 2 (cálcio) + CO3- 2 (carbonato) ↔ CaCO3 (carbonato de cálcio), em que a produção de CO3-2 de bicarbonato em água (HCO3-1) é altamente dependente do pH, e o crescimento ocorre sob condições alcalinas. Em conclusão, a precipitação de carbonato de cálcio ocorre facilmente em ambientes alcalinos abundantes em cálcio (Ca+ 2) e íons de carbonato (CO3-2) (Lee, 2003). O papel principal da bactéria no processo tem sido associado a sua habilidade em criar ambientes alcalinos (alto pH e incremento da concentração e dissolução do carbono inorgânico – DIC) por meio de várias atividades fisiológicas (Hammes & Vestraete, 2002). A precipitação do carbonato de cálcio é um fenômeno comum nos ambientes marinhos, de água doce e no solo (Castanier et al., 1997; Erlich, 1998). Esse processo químico é simples e é governado por quatro fatores chaves: 1. concentração de cálcio (Ca2+); 2. concentração da dissolução do carbono inorgânico (DIC); 3. pH; 4. disponibilidade de nucleação do local. Segundo Martínez et al. (2003), o estudo dos microrganismos no processo de biomineralização começou ao final do século XIX por Nadson (1899/1903) no lago Veisovoe, em Kharkov (Rússia), em especial com a precipitação de carbonato de cálcio (CaCO3). Posteriormente, Black et al. (2001) concluíram que diversas bactérias nos ambientes marinhos têm relação com a precipitação de carbonato de cálcio (Figura 1). Já em 1979, Goreau, T. e Goreau, N. observaram a biomineralização em recifes coralinos (Martínez et al., 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 179 Figura 1 – Imagem em microscópio eletrônico de varredura do precipitado bacteriano em ambiente marinho unindo grãos de areia, escala bar 100μm (Black et al., 2001). A primeira sugestão para trabalhar com biomineralização na conservação de monumentos foi feita aplicando substâncias de organismos de matriz macromolecular extraídos de lanchas marítimas. Mas sua prática foi dificultada pela complexidade do procedimento de extração e baixo cultivo do produto utilizável (Tiano et al., 1999). Estudos posteriores têm analisado o uso de outras bactérias que precipitem carbonato de cálcio para a proteção contra a deterioração de materiais utilizados na construção civil, como as pedras ornamentais e os concretos, método que reduz o impacto ambiental. Esse processo denomina-se bioremediação (Lee, 2003). Outra técnica na qual se utilizam bactérias é a Bioinduração, que consiste na selagem dos poros de um solo por meio da aplicação de microrganismos capazes de produzir uma biopelícula (biofilm), com o fim de reduzir a permeabilidade do solo. A biopelícula é um biopolímero, que consiste numa estrutura de carboidratos altamente hidratada (99% de água), permitindo às bactérias associações entre células, com o fim de criar um microambiente na superfície, ou seja, atua como um material cimentante entre a superfície e os microrganismos. A adesão desses microrganismos é influenciada pela disponibilidade e concentração de nutrientes, pH e temperatura, entre outros fatores (Cardona & Usta, 2002). A última técnica de melhoramento das propriedades do solo mediante a adição de microrganismos é mais comumente denominada Bioestabilização. Segundo Gómez (2006), o trabalho mais relevante em bioestabilização foi o do Dr. Donald H. Gray (2001), que faz referência a alguns ensaios executados com bactérias como Pseudomonas atlântica, Bacillus pasteurii, Sporosarcina ureae e o fungo Penicillium chrysogenum, as quais secretam sustâncias que atuam como cola, melhorando as características geotécnicas dos solos. No trabalho executado sobre uma areia de quartzo, com o fungo Penicillium chrysogenum, a coesão aumentou em 5 kPa depois de três semanas de incubação com a bactéria. 180 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB O grupo BACEST da Colômbia tem desenvolvido várias pesquisas em bioestabilização. O primeiro trabalho foi feito por Martínez et al. (2003), em que selecionou a bactéria Bacillus subtilis, a qual foi adicionada a um meio nutritivo precipitante (MN) em três concentrações (também se adicionou só o meio nutritivo ao solo). O meio nutritivo MN+bactéria foi adicionado como parte da água de compactação. O solo foi caracterizado física, química, mineralógica e mecanicamente, com e sem tratamento. Concluiu-se que a Bacillus subtilis é realmente uma bactéria com propriedade calcificante, visto que o material precipitado num meio rico em nutrientes e com um pH adequado é a calcita (Figura 2). O mineral fez com que o solo tratado, quando comparado com o solo sem tratamento, melhorasse suas propriedades físico-mecânicas. Outra pesquisa importante desenvolvida pelo grupo foi o trabalho feito por Gómez (2006). Nele foram utilizados solos de textura grossa e executados ensaios de laboratório não destrutivos, que permitiram determinar o módulo cisalhante (G). Figura 2 – Imagem com lupa binocular dos minerais de carbonato de cálcio recuperados de tamanhos aproximados de 0,45 μm, aumento de 15 vezes (Montoya et al., 2005). Ismail et al. (2002) utilizaram um sistema de precipitação in situ, que consiste na injeção ou molhagem do solo com uma solução baseada em água com baixa viscosidade, com pH neutro e não tóxica. Foi observado que houve precipitação de CaCO3 envolvendo os grãos e formando pontes de união entre eles, cimentando a matriz de solo e melhorando sua resistência. Flórez (2007) adicionou separadamente um meio nutriente e uma mistura do meio com Bacillus em um solo arenoso. Nos resultados foram obtidas melhorias, mas essas foram mais notórias com a adição das bactérias junto com o meio nutritivo. Whiffin et al. (2007) mostraram que é possível obter cimentação entre grãos de areia mediante a precipitação de carbonato de cálcio gerada a partir da adição de uréia e cloreto de cálcio à velocidade constante numa coluna de solo arenoso. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 181 Em pesquisas desenvolvidas em cavernas na Índia, com o propósito de determinar a possível origem das estalactites nelas encontradas (Baskar et al., 2006), foram isoladas bactérias heterotróficas nativas, Actinomicetos, Cianobactéria e Musgos. As bactérias dominantes foram Bacillus thuringiensis e Bacillus pumilis. As colônias inoculadas, colocadas em meio B4 (2,5 g de acetato de cálcio, 4 g de extrato de levedura, 10 g de glicose e 18 g de ágar por litro de água destilada), precipitaram calcita (Figura 3). A predominância de Bacillus nesse trabalho mostra que eles apresentam um papel importante na precipitação do carbonato no habitat natural. Figura 3 – Precipitação mineral por Bacillus (Baskar et al., 2006). A habilidade dessas bactérias em formar CaCO3 em diferentes temperaturas de incubação indicou que 25oC foi a temperatura ótima para a precipitação (Figura 4). A precipitação começou a ocorrer depois de 15 dias desde o início do experimento. A quantidade e o tamanho dos cristais incrementados com o tempo são apresentados nas Figuras 5a e 5b. Figura 4 – Temperatura vs produção de bactérias (Baskar et al., 2006). 182 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB a) b) Figura 5 – Imagem com microscópio ótico: a) Calcita depois de uma semana, b) Calcita depois de 15 dias (Baskar et al., 2006). Stocks–Fischer et al. (1999) estudaram o uso da uréia como resultado da hidrólise de ácido úrico via enzima uréase na precipitação de carbonatos. Utilizaram Bacillus pasteurii em quatro tipos de areia. Efetivamente, a calcita foi formada como se apresenta na Figura 6. Figura 6 – Imagens em microscópio eletrônico de varredura: a) cristais de calcita formados sobre as partículas de areia (escala bar 100 μm), b) detalhe dos cristais apresentados em a na seta (escala bar 10 μm), c) aumento da área de b, os cilindros pretos correspondem à bactéria Bacillus pateurii incrustados nos cristais, escala bar 1μm (Stocks–Fischer et al., 1999). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 183 Adicionalmente, Stocks–Fischer e coautores determinaram, nessa pesquisa, que a atividade ureásica das bactérias é afetada pelo aumento que geram no pH. Mostraram, como aconteceu em outros estudos, que a maior atividade ureásica se dá em um pH igual a 8 (Figura 7). Figura 7 – Efeito do pH na atividade urease num Bacillus pasteurii (modificado de Stocks–Fischer et al., 1999). Como mencionado, ainda são relativamente poucos os trabalhos de pesquisa realizados especificamente na melhoria das propriedades mecânicas dos solos com fins de pavimentação rodoviária mediante o uso de biotecnologia. Atualmente, existem empresas que oferecem produtos enzimáticos naturais que geram melhorias nas características mecânicas e físicas dos solos, as quais são refletidas em diminuição nas espessuras das camadas na estrutura do pavimento. Algumas dessas melhorias oferecidas são o aumento do CBR e da resistência à compressão simples. Esses produtos agem como catalisadores, gerando uma melhoria no subleito e produzindo um material mais denso, coesivo e estável, além de apresentarem facilidade de aplicação no solo (Terrazyme, 2009). Autores como Echeverri & Santander (2003) apud Flores (2007) observaram um aumento do CBR após o tratamento realizado quando foi facilitado o crescimento das bactérias calcificantes nativas do solo. Lo Bianco & Madonia (2007) trabalharam com três tipos de material de origem diferente: basalto, calcário e sílica, os quais foram tratados biologicamente para realizar ensaios de CBR. Os resultados obtidos foram comparados com os obtidos para uma mistura de projeto usada para a construção de camadas de pavimento. A conclusão foi que, com o tratamento, é possível aumentar o CBR 184 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB em até 42% em só 10 dias. A técnica utilizada por esses autores foi denominada Bacteria Method for Unbound Layers (B.U.L.M.). Fonseca et al. (2004) empregaram bactérias calcificantes, o meio nutritivo B4 e a mistura desses em solo siltoso e caulim. Os resultados obtidos foram aproximadamente a duplicação do CBR, além da não apresentação de diferenças representativas de expansão. Os maiores acréscimos no CBR foram apresentados quando foi adicionado unicamente o meio B4. 3 CARACTERÍSTICAS DA ÁREA ESTUDADA Foi escolhido, para a realização do estudo, um perfil de solo localizado no Distrito Federal – Brasil, na cidade satélite de Santa Maria, a 20 m da margem da voçoroca que leva o mesmo nome (Figura 8). Figura 8 – Mapa de localização do perfil de estudo (Imagem obtida do “Google Earth”, da página “postaisdazezinha.blogspot.com” em 31 maio 2009, e de Souza et al., 2004). Os solos que compõem a voçoroca de Santa Maria se caracterizam por serem Latossolos vermelho-escuros e vermelho-amarelos, resultantes de um alto grau de intemperização e lixiviação, formando uma estrutura porosa, metaestável, com índices de vazios altos e pesos específicos baixos, bastante permeá- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 185 veis e de acentuados a fortemente drenados. Geomorfologicamente, a voçoroca da Santa Maria encontra-se dentro da unidade da Chapada da Contagem. Essa Chapada é a mais elevada do Distrito Federal com cotas médias acima de 1200 m (Souza et al., 2004). Climatologicamente, segundo CODEPLAN (1984) apud Lima (2003), a voçoroca encontra-se na Chapada da Contagem, que apresenta um clima de tipo “Tropical de Altitude Cwb”, o qual, no mês mais frio, apresenta temperatura inferir a 18°C e, no mês mais quente, superior a 22°C. Os estudos iniciais objetivaram analisar a possibilidade de estabilização dos taludes da voçoroca de Santa Maria por meio da biomineralização, sendo para isso estudado o perfil completo de solo até a profundidade de 5 m. Para estudar a influência nas propriedades físicas e mecânicas após a compactação objetivando o uso da técnica na melhoria de solos para pavimentação, estudou-se apenas a camada de solo localizada entre 3,5 m e 4,5 m de profundidade no perfil. 4 METODOLOGIA E RESULTADOS Os procedimentos utilizados na pesquisa consistiram nos seguintes passos: • identificação das bactérias nativas existentes num perfil de solo tropical; • teste e seleção do melhor nutriente precipitador de carbonato de cálcio para interatuar com as bactérias nativas do solo em estudo; • caracterização físico-química, mineralógica, estrutural e do comportamento mecânico do perfil de solo tropical; • caracterização física, mineralógica, estrutural e do comportamento mecânico dos solos extraídos do perfil, após terem sido submetidos a adição do melhor nutriente precipitador de carbonato de cálcio; • estudo da mudança nas propriedades do solo do perfil pela adição do nutriente precipitador de carbonato de cálcio; • compactação do solo correspondente a uma camada do perfil, com energias de compactação Proctor intermediário e Proctor normal, sendo a metade das amostras compactadas sem adição de nutriente precipitador de carbonato de cálcio e a outra com adição deste; • variação da umidade dos corpos-de-prova, deixando uma terceira parte destes na umidade ótima de compactação, outra terça parte no ramo úmido mediante adição de água e a última terça parte no ramo seco mediante secagem ao ar dos corpos-de-prova compactados; • caracterização física, mineralógica, estrutural e mecânica dos corpos-deprova compactados, após a adição do nutriente precipitador de carbonato de cálcio; • análise da mudança nas propriedades e do comportamento dos corposde-prova compactados causada pela ação do nutriente precipitador de carbonato de cálcio. 186 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A partir de análises bioquímicas, foi possível identificar 43 diferentes tipos de bactérias, mostradas na Tabela 1 (Gonzáles, 2009). Tabela 1 – Classificação das bactérias presentes no perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). # 1 2 3 4 1m Tipo de bactéria Peusodomonas spp. Pasteurella spp. Francisella tularensis Pasteurella spp. # 1 2 3 4 5 Bacillus spp. 5 6 Bacillus spp. 6 2m Tipo de bactéria Pseudomona spp Actino bacillus spp. Pasteurella spp Alcaligenes spp Rhodococus equi Bacillus spp. # 3m Tipo de bactéria # 1 Bacillus spp. 1 2 Bacillus spp. 2 3 Bacillus spp. 3 4m Tipo de bactéria Staphylococcus spp. Staphylococcus spp. Enterobacter cloacae # 5m Tipo de bactéria 1 Bacillus spp. 2 Bacillus spp. 3 Actinobacillus s.pp. 4 Bacillus spp. 4 Bacillus spp. 4 Bacillus spp. Rhodococus 5 Bacillus spp. spp. Bacillus spp. 6 Bacillus spp. Pasteurella Bacillus spp. 7 spp. Corynebacterium 8 Bacillus spp. spp Bacillus spp. 9 Bacillus spp. Bacillus spp. 10 Bacillus spp. 5 Bacillus spp. 5 6 7 Bacillus spp. 7 Bacillus spp. 7 8 Bacillus spp. 8 9 10 11 Bacillus spp. 12 Bacillus spp. 13 Bacillus spp. Cada uma das bactérias classificadas, ao serem repicadas em placas com meio B4 (15 g de acetato de cálcio, 4 g de extrato de levedura, 5 g de glicose e 12 g de ágar, para 1 litro de água destilada) e incubadas durante 15 dias a 25oC, confirmou que esse nutriente induz precipitação nos solos do perfil da voçoroca de Santa Maria (Figura 9). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 187 Figura 9 – Precipitado bacteriano no meio B4 (Gonzáles, 2009). Confirmada a capacidade de precipitação das bactérias, o nutriente foi colocado nos solos. Passados 15 dias do tratamento (Figura 10), foram analisadas as mudanças em algumas das propriedades físico-químicas, mineralógicas e mecânicas. Figura 10 – Adição do meio B4 nos blocos de solo do perfil da voçoroca de Santa Maria. Com relação ao índice de vazios, este sofreu uma pequena diminuição com o tratamento do solo (Figura 11). Figura 11 – Variação do índice de vazios com a profundidade no perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). 188 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Para avaliar a estabilidade das microconcreções que se encontram presentes no perfil de solo da voçoroca, foram usadas as expressões apresentadas em Araki (1997) relativas aos agregados totais (A.T.). Nos cálculos, foram utilizados os percentuais de argila obtidos dos ensaios de granulometria realizados com e sem o uso de defloculante. A.T. = % tamanho argila com defloculante – % tamanho argila sem defloculante A Figura 12 mostra que, quando foi usado o nutriente, os valores de A.T foram menores, indicando, assim, maior estabilidade das microconcreções. Figura 12 – Variação dos agregados totais no perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). Adicionalmente, o nutriente contribui para manter a agregação do solo, tornando-o mais granular, o que geralmente favorece a diminuição da plasticidade (Figura 13). Figura 13 – Variação do Ip com a profundidade para o perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 189 A partir dos difratogramas de análises de raios X, verificou-se o surgimento de minerais de carbonato de cálcio (calcita a 1 m, 2 m, 4 m e 5 m e wilkweita a 3 m), confirmando, mesmo em pequena quantidade, a precipitação gerada pela atividade bacteriana quando do tratamento com o nutriente, pois tais minerais não existiam no solo sem a adição do nutriente (Figura 14). Figura 14 – Intensidade dos picos principais dos diferentes minerais em profundidade para o perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). Com Microscopia Eletrônica de Varredura, observaram-se as precipitações, que se apresentaram como filamentos unindo os grãos ou como precipitados minerais de outras formas preenchendo os vazios dos solos (Figura 15). Figura 15 – Imagens no MEV do solo com nutriente no perfil da voçoroca de Santa Maria, mostrando a agregação dos grãos causada pelo tratamento (Gonzáles, 2009). Com relação às propriedades mecânicas do perfil, no que se refere à resistência ao cisalhamento, em quase todos os casos, embora os ângulos de atrito permaneçam praticamente invariáveis, as coesões no estado natural aumenta- 190 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ram ao passar do solo sem tratamento para o solo tratado. Isso confirma que o precipitado gerado atua como um cimentante nos solos do perfil estudado. O aumento na coesão gerado pelo tratamento se vê refletido no aumento na resistência ao cisalhamento, tanto para o solo na umidade natural como para a condição imersa (Tabela 2). Tabela 2 – Parâmetros de coesão (c) e ângulo de atrito (φ) a partir do ensaio de resistência ao cisalhamento direto natural e saturado para perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). Profundidade (m) Sem nutriente Natural Com nutriente Saturado Natural Saturado c (kPa) φ (°) c (kPa) φ (°) c (kPa) φ (°) c (kPa) φ (°) 1 10 29 7 29 12 31 5 29 2 28 23 15 22 22 26 5 24 3 24 26 6 25 29 27 16 26 4 24 36 5 35 28 37 12 39 5 23 37 8 38 37 36 23 36 Para as amostras ensaiadas, foram determinados os índices de colapso (i). Esses índices foram calculados segundo a equação proposta por Maia (2005), apresentada a seguir: em que: e sendo: enat e einundado o índice de vazios final do solo para uma determinada tensão aplicada considerando, respectivamente, o solo na umidade natural e inundado; eonat e eoinundado o índice de vazios inicial do solo para uma determinada tensão aplicada considerando, respectivamente, o solo na umidade natural e inundado. Observa-se, na Figura 16, que o índice de colapso diminuiu para os solos com nutriente, verificando-se menor deformabilidade dos solos tratados. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 191 a) Amostras sem nutriente b) Amostras com nutriente Figura 16 – Variação do índice de colapso com a tensão para as amostras sem nutriente e com nutriente do perfil de solo da voçoroca de Santa Maria (Gonzáles, 2009). As amostras de solo coletadas entre 3,5 m e 4,5 m de profundidade foram compactadas com as energias de compactação normal e intermediária, em condições de umidade de compactação ótimas. Após a compactação, foram gerados, antes da cura, aumentos e reduções de 3% de umidade em relação à umidade ótima de compactação. Dessa maneira, foram obtidos seis tipos de solos em cada energia de compactação, a metade com tratamento e a outra metade sem nenhuma adição de nutriente, com a finalidade de serem comparados por duplas, como apresentado na Tabela 3. 192 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 3 – Tipos de solo obtidos. ENERGIA INTERMEDIÁRIA COM AGUA Ramo seco Umidade ótima SNIS SNIO Ramo úmido SNIU COM MEIO B4 Ramo seco Umidade ótima B4IS B4IO Ramo úmido B4IU Ramo seco Umidade ótima B4NS B4NO Ramo úmido B4NU ENERGIA NORMAL COM AGUA Ramo seco Umidade ótima SNNS SNNO Ramo úmido SNNU COM MEIO B4 O tempo de cura das amostras foi de duas semanas em câmara úmida, período de tempo necessário para que fosse gerada a maior precipitação de carbonato de cálcio. Após o período de cura dos corpos-de–prova, foram neles geradas novas variações de umidade que permitiram estabelecer o efeito da umidade de cura e do tratamento na resposta do solo frente às solicitações de tração indireta sob diferentes umidades de ruptura. Como resultado, observou-se que, para umidades de ruptura inferiores a aproximadamente 20%, o meio B4 aumenta a resistência à tração independentemente da condição de cura; no entanto, as resistências obtidas para o solo com cura úmida são inferiores aos obtidos para o solo curado na umidade ótima e no ramo seco (Figura 17). (a) Corpos compactados com energia normal (b) Corpos compactados com energia intermediária Figura 17 – Resultados dos ensaios de tração indireta (Gómez Muñetón, 2009). Cabe ainda destacar que, para os solos não tratados, as resistências obtidas para umidades inferiores à ótima são semelhantes, o que não se verifica para o Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 193 solo tratado. Isso indica que a condição de cura para o meio B4 é relevante e que ele afeta o comportamento do solo. Em termos gerais, com base nos resultados apresentados, o tratamento tem maior influência para umidades de ruptura entre 20% e 22% aproximadamente. Verificou-se que o tratamento biológico do solo com o meio B4 gerou melhoria no comportamento mecânico. Embora esse ganho seja pequeno, é relevante para o desempenho da estrutura de pavimento. Os ensaios de mini-CBR foram realizados na condição submersa. A Figura 18 mostra que o tratamento com meio B4 piorou o comportamento do solo. Durante a execução dos ensaios de Mini-CBR, também foi medida a expansão dos corpos-de-prova. Em geral, o tratamento com o meio B4 não gerou melhoria no solo no que concerne aos ensaios de mini-CBR; no entanto, esses resultados não são conclusivos o suficiente para que se descarte a viabilidade de uso dessa metodologia em pavimentação. (a) Umidade ótima (b) Ramo seco (c) Ramo úmido Figura 18 – Mini-CBR com w% (Gómez Muñetón, 2009). 194 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB CONSIDERAÇÕES FINAIS Diante das melhorias verificadas nas propriedades e nos comportamentos dos solos com o tratamento, tem-se que a técnica da biomineralização pode constituir-se em opção viável para a melhoria de solos no controle de processos erosivos. O aprofundamento nesta linha de pesquisa permitirá a incorporação da técnica aos problemas reais. No caso dos solos compactados, é muito importante realizar um estudo mais detalhado que envolva análise da variação das propriedades do solo no tempo, com a finalidade de determinar a viabilidade da biomineralização como uma metodologia de estabilização de solos com fins rodoviários. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Araki, M. S. (1997). Aspectos Relativos às Propriedades dos Solos Porosos Colapsíveis do Distrito Federal. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Brasília, DF, 121 p. Baskar, S.; Baskar, R.; Mauclaire, L.; McKenzie, J. A. (2006). Microbially induced calcite precipitation in culture experiments: Possible origin for stalactites in Sahastradhara caves, Dehradun, India Current Science, 90 (1), p. 58-64. Cardona, F.; Usta, M. (2002). Un estudio de la reducción de permeabilidad por la depositación de finos y bacterias en medios porosos. Trabajo de grado, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia, 119 p. Castanier, S.; Le Me´tayer-Levrel, G.; Perthuisot, J.-P. (1997). La carbonatogene`se bacte´rienne. In: Causse, F.; Gasse, F. (Eds.). Hydrologie et ge´ochimie isotopique. ORSTOM, Paris. p. 197-218. Fonseca, J. A.; Rojas, L. B.; Zuluaga, P. I. (2004). Estudio del efecto de la aplicación de bacterias en la respuesta mecánica de suelos de subrasante – Etapa II. Tesis de Grado, Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia, 73 p. Google Earth. (2009). Acesso em: 21 maio 2009. Gómez Muñetón, C.M. (2009). Uso de biotecnologia na melhoria de solos para fins de pavimentação rodoviária. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 98 p. Gomes, M. R. F. (2006). Comportamento de um aterro compactado em campo e em laboratório. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 162 p. Gómez, E. (2006). Evaluación de las propiedades geotécnicas de suelos arenosos tratados con bacterias calcificantes. Tesis (Maestría en Geotecnia), Universidad Nacional de Colombia, Medellín, Colombia, 147 p. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 195 Hammes, F.; Verstraete, W. (2002). Key roles and calcium metabolism in microbial carbonate precipitation. Environmental Science & Bio/Technology, 1, p. 3-7. Ismail, M. A.; Joer, H. A.; Randolph, M. F.; Meritt, A. (2002). Cementation of porous material using calcite. Geotechnique, 52: 5, p. 313-324. Lee, Y. N. (2003). Calcite Prodution by Bacillus amyloliquefacies CMB01. Journal of Microbiology, 41 (4), p. 345-348. Lima, M. C. (2003). Degradação físico-química e mineralógica de maciços junto às voçorocas. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília, Brasília, DF, 336 p. Lo Bianco, A.; Madonia, G. (2007). B. U. L. M. Technique for increase of the bearing capacity in the pavement layers subjected to biological treatment. In: INTERNATIONAL SIIV CONGRESS, 4th, Itália. Martínez, G.; Maya, L.; Rueda, D.; Sierra, G. (2003). Aplicaciones estructurales de bacterias en la construcción de nuevas obras de infraestructura – Estabilización de suelos. 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Capítulo 10 Sistema de barramentos para recuperação de ravinas e voçorocas Rideci Costa Farias Carlos Antônio Bernardes Ferreira José Camapum de Carvalho Ennio Marques Palmeira 1 INTRODUÇÃO Com o acelerado crescimento das áreas urbanas, desmatamento desordenado, avanço das fronteiras agrícolas e a implantação sem os devidos cuidados de obras de infraestrutura, sérios e numerosos problemas erosivos, com produção significativa de sedimentos, vêm ocorrendo no país. Para solucioná-los ou mitigá-los, é necessária a realização de pesquisas de técnicas alternativas, uma vez que a maioria das que são atualmente utilizadas ou são de custo elevado (barramentos convencionais), ou geram outros danos ambientais (reaterro com importação de solo). Este capítulo apresenta uma solução de baixo custo para recuperação de processos erosivos com a contenção dos sedimentos produzidos a montante do local a ser recuperado. A técnica proposta para controle e recuperação de processos erosivos consiste na instalação de barramentos transversais ao eixo longitudinal da erosão. Nos barramentos são utilizados, basicamente, elementos estruturais de madeira, tela metálica e geotêxtil. O sistema de barramento tem sido utilizado para controle temporário de produção de sedimentos, porém, essa solução, se bem adaptada, pode ser empregada para controle e recuperação definitiva da erosão. A sua eficiência como obra permanente de controle do processo erosivo está vinculada aos devidos aprimoramentos técnicos realizados em função das condições locais. As vantagens do sistema proposto podem ser justificadas pela simplicidade de execução, pelo baixo custo e pela possibilidade de se obterem estruturas compatíveis com a carga de sedimentos a ser contida, permitindo assim, a execução em etapas de acordo com a produção de sedimentos a montante, de forma que não comprometa a estabilidade do barramento e dos taludes laterais da erosão. A implantação do sistema de barramentos por etapa permite compatibilizar a estabilidade dos taludes, a estabilidade estrutural do próprio barramento, a disponibilidade de sedimentos a montante ao longo do tempo e a minimização dos custos e do risco de insucesso. 198 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Partindo-se dessa idéia, este capítulo mostra a sequência de análises e procedimentos que levam à implantação de sistemas eficientes de barramento na recuperação de processos erosivos. Um estudo detalhado sobre o tema encontra-se apresentado na tese de Doutorado de Farias (2005) – Publicação G.TD-026/05 do Programa em Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. 2 UTILIZAÇÃO DE GEOSSINTÉTICOS NO CONTROLE DE EROSÃO Há um número crescente de novos métodos geotécnicos para controle e prevenção de erosões. Esses métodos, quando executados corretamente, usualmente apresentam desempenho satisfatório. Alguns desses métodos preconizam a utilização de geossintéticos. As primeiras utilizações de geossintéticos no controle de erosão datam do final da década de 1960 e início dos anos 70, quando pesquisas em universidades mostraram que certos materiais têxteis sintéticos poderiam ser usados em substituição a filtros constituídos por materiais granulares. O primeiro filtro tecido foi usado para prevenir erosão do material subjacente a uma camada de “rip-rap” (Carrol et al., 1992). Tais materiais portaram-se de forma satisfatória na prevenção de erosões causadas por fluxo de águas subterrâneas, escoamento superficial de precipitações pluviométricas e/ou ação de ondas. 2.1 Geotêxteis no controle de erosão O uso dos geotêxteis no controle de erosão tem sido feito, normalmente, combinando-se o geotêxtil com materiais granulares, obedecendo-se a critérios de drenos e/ou filtros. Ressalta-se o fato de que o geotêxtil elimina a necessidade de se prever a transição granulométrica entre tais materiais. Diversas obras de controle de erosão são dimensionadas obedecendo-se aos critérios usuais de retenção, permeabilidade e colmatação. Bibliografias específicas (Holtz et al., 1997; FHWA, 1989) apresentam as principais considerações, a seguir descritas, que o projetista deve observar em projetos onde o geotêxtil é submetido à ação de fluxos cíclicos ou dinâmicos, como em barragens e obras costeiras. Critério de retenção para fluxos cíclicos ou dinâmicos Em condições de fluxos d’água cíclicos ou dinâmicos, as partículas de solo podem migrar através do geotêxtil com maior facilidade do que em condições normais de funcionamento, requerendo adaptação dos parâmetros de filtração de projeto de modo a que a maior abertura do geotêxtil seja pequena o bastante para a retenção das menores partículas do solo. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 199 Permeabilidade e capacidade de fluxo requerida para controle de erosão Nas muitas aplicações de controle de erosão em bordos de cursos d’água, reservatórios e regiões costeiras, é comum o surgimento de altas pressões hidráulicas induzidas pelas correntezas e pelas ondas, o que pode provocar o deslocamento do geotêxtil. A fim de evitar esse processo, usualmente coloca-se uma camada protetora de pedras ou blocos de rocha como sobrecarga para fixação do geotêxtil. Essa camada também serve de proteção para o sistema contra o impacto de ondas. O uso dessa sobrecarga sobre o geotêxtil requer que se avalie a capacidade de fluxo através do sistema, tendo em vista a redução da área do geotêxtil em função do contato das pedras. Nesses casos, a avaliação da capacidade de fluxo deverá ser feita sobre a área disponível do sistema. Critério de colmatação para fluxos cíclicos ou dinâmicos Considerando que os sistemas de controle de erosão são frequentemente usados sob condições hidráulicas severas, deve-se considerar, na fase de elaboração de projetos, as situações a que o geotêxtil estará submetido. O mais recomendado é que se executem ensaios de filtração com o solo do local da obra e o geotêxtil a ser empregado, objetivando-se verificar o desempenho do sistema em termos de colmatação e monitorando-se a sua capacidade drenante. Os ensaios mais recomendados são: Razão entre Gradientes (ASTM D 5101) e ensaio de Condutividade Hidráulica (ASTM D 5567), dependendo do tipo de solo. Critério de sobrevivência para controle de erosão Esse critério leva em consideração tanto as fases de instalação e construção quanto a vida útil da obra. Nesse critério, as principais propriedades associadas às solicitações mecânicas nas fases de instalação e construção são: resistência à tração, resistência à penetração, perfuração ou rasgo e resistência à abrasão. Adicionalmente, busca-se determinar o comportamento do geotêxtil em termos de propriedades mecânicas e hidráulicas para a fase de operação da obra. Fatores como compressibilidade, resistência ao deslizamento na interface, resistência ao arrancamento, fluência e degradação por raios ultravioleta devem ser considerados. Na instalação e construção, deve-se atentar principalmente para o tipo de pedra a ser usada no revestimento, pois há dois princípios básicos a serem atendidos: a) ter resistência mecânica adequada para suportar a ação de ondas e b) apresentar formas e dimensões que não danifiquem o geotêxtil. 200 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 2.2 Sistema proposto No controle de erosões dos tipos ravina e voçoroca pela técnica de barramento, o geotêxtil desempenha duas funções básicas: contenção do solo erodido, ou sujeito a possíveis erosões, e filtração / drenagem, permitindo o escoamento das águas de infiltração ou retidas. Além dessas funções, devem-se destacar a boa deformabilidade e a baixíssima degradabilidade do geotêxtil, ressaltandose que a deformabilidade e resistência mecânica do geotêxtil constituem-se em características de grande importância, pela possibilidade de movimentação e acomodações da obra em decorrência de recalques. Um dos métodos mais usuais para o controle desses tipos de erosão consiste na combinação de muros de arrimo em solo reforçado com geotêxtil para a contenção de encostas e paralisação de eventuais ramificações que estejam surgindo, com barreiras de sedimentos. Nessas situações, uma primeira fase constitui-se na construção dos muros de arrimo reforçados. Em seguida, uma das alternativas é a execução de uma série de barragens de assoreamento ao longo do talvegue com os devidos sistemas de drenagens para evitar possíveis transbordamentos. Com o assoreamento de um dos barramentos, os sedimentos que passam pela barragem assoreada serão retidos em outra e assim sucessivamente, diminuindo, desse modo, a declividade da erosão ao mesmo tempo em que permite a ascensão do seu fundo. Ressalta-se que as barragens de assoreamento ao longo da voçoroca devem ser dimensionadas para atender aos critérios de estabilidade quanto ao tombamento, deslizamento, à capacidade de carga da fundação e à estabilidade global do sistema de controle de erosão. Devem-se, também, executar eventuais sistemas de drenagens nas barragens para melhoria de seu funcionamento. Outro estudo de suma importância é o do lençol freático, para verificação da necessidade de execução dos drenos de fundo ao longo da voçoroca. Quando se implantam as barragens de assoreamento, outro aspecto a ser avaliado relaciona-se à estabilidade dos taludes laterais, uma vez que, com o represamento, ocorre o aumento de umidade do solo em sua base, o que pode provocar instabilidades. O sistema proposto na Figura 1 fundamenta-se na técnica de barramento, utilizando-se, porém, um modelo muito mais simples e de menor custo que os convencionais. Outra vantagem desse sistema diz respeito à possibilidade de se obterem estruturas compatíveis com a carga de sedimentos a ser contida, permitindo a execução em etapas de acordo com a produção de sedimentos a montante. Conforme citado, ele tem sido usado em caráter temporário; porém, tal solução, se bem adaptada, pode ser empregada para controle permanente de erosões. A sua eficiência como obra permanente de controle do processo erosivo está vinculada ao desenvolvimento de técnicas de projeto e construtivas apropriadas às condições locais. Inicialmente, o sistema é construído em etapas, de forma que a produção de sedimentos a montante não comprometa a estabilidade dos barramentos e dos Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 201 Figura 1 – Vista frontal do sistema de barramento. taludes laterais. Para isso, a melhor solução é a execução em alturas compatíveis com o esforço resistente da estrutura, bem como com a estabilidade dos taludes laterais, já que esses podem ser afetados pelo aumento de umidade gerado pela retenção dos sedimentos. A Figura 2 apresenta, num primeiro estágio, a execução de três barramentos com as hastes não sendo utilizadas em sua totalidade. Isto é, a tela metálica e, principalmente, o geotêxtil são colocados numa determinada altura das hastes para que o sedimento produzido a montante possa ser acumulado no barramento 1 e o excedente passe para o barramento 2 e assim sucessivamente. O revestimento total do canal com o geotêxtil, mostrado na figura, se justifica pelas pequenas distâncias entre um barramento e outro, não acarretando uma elevação considerável nos custos de implantação. No entanto, para erosões e barramentos de maior porte, deve ser analisada a solução com ancoragem lateral e de fundo com extensão limitada pela necessidade de ancoragem do geotêxtil para montante. Figura 2 – Estágio 01: vista lateral das barreiras para acumulação dos sedimentos gerados a montante. 202 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Num segundo estágio, com o assoreamento dos barramentos, o sedimento acumulado no barramento 3 aumenta a estabilidade do barramento 2, e o produzido no 2 aumenta a estabilidade do barramento 1. Isso ocorre devido à resistência que o sedimento acumulado pelo barramento sequente confere ao anterior, conforme mostram as Figuras 3 e 4. É importante ressaltar que, além do geotêxtil colocado a montante, há necessidade de colocá-lo também no pé do barramento na face de jusante, como proteção contra o efeito erosivo gerado pelo transbordamento. Esse geotêxtil pode eventualmente ser substituído por camada de pedras de mão. Outra observação importante diz respeito à fixação do geotêxtil para que o fluxo não venha a provocar o seu arranque. Essa fixação poderá ser feita com arame recozido ou galvanizado na tela metálica e com pinos metálicos na base e nas laterais da erosão em contato com o solo, conforme mostram as Figuras 2, 3 e 4, tomando-se o cuidado de não danificar o geotêxtil com as perfurações realizadas. Figura 3 – Estágio 02: vista lateral das barreiras para acumulação dos sedimentos gerados a montante. Figura 4 – Estágio 03: vista lateral das barreiras para acumulação dos sedimentos gerados a montante com incremento de novos barramentos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 203 A seguir, pode-se partir para o estágio 3, que é o aumento de altura do geotêxtil nos barramentos, e, se necessário, o incremento de novos barramentos a jusante, com o objetivo de aumentar a estabilidade global do sistema, conforme mostra a Figura 4. 2.3 Funções dos elementos constitutivos do barramento 2.3.1 Elementos estruturais de madeira Os elementos estruturais de madeira têm por finalidade dar sustentação aos demais componentes do sistema de barramento (tela metálica e geotêxtil), além de dar suporte estrutural na fase inicial do represamento da água e do próprio solo assoreado. A capacidade de suporte estrutural requerida depende da largura e altura do barramento em cada etapa do assoreamento. Enquanto a largura varia pouco e é condicionada pela geometria da erosão, a altura deve ser definida em função de parâmetros como o volume de sedimento gerado no tempo e a própria estabilidade da estrutura, como se verá em mais detalhe em análises posteriores. Quando se torna impossível a implantação da ficha necessária para a estabilidade estrutural do barramento, é possível recorrer a técnicas como a de utilização de contrafortes. Do apresentado, é possível perceber que a opção por estrutura de madeira na contenção não é imperativa, mas recomendável devido à temporariedade de sua função. Como tal, ao ser degradada, a madeira será incorporada à natureza sem danos ambientais adicionais. 2.3.2 Tela metálica A tela metálica tem por função dar sustentação e maior capacidade de suporte ao geotêxtil quando do represamento da água de enxurrada. Aqui também o material especificado não seria obrigatoriamente o metal, podendo ser um geossintético (geogrelha, por exemplo). 2.3.3 Geotêxtil O geotêxtil tem dupla finalidade: drenar a água e reter o sedimento. Por esse motivo, deve passar por rigorosa especificação para que possa cumprir a contento as suas funções. Em um sistema de barramentos múltiplos, é possível a opção por geotêxteis de diferentes gramaturas, pois o sedimento não filtrado por um barramento poderá sê-lo pelo seguinte. 204 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB O geotêxtil pode ser sintético ou oriundo de fibras naturais. O primeiro tem a vantagem de ter suas propriedades mais bem definidas e especificadas e a desvantagem de não ser biodegradável. Já o segundo apresenta características exatamente inversas a essas. 2.3.4 Concepção de projeto para controle de erosão A seguir, descrevem-se os principais passos que devem ser seguidos na elaboração de projetos para controle de erosão, utilizando-se mais especificamente a técnica de barramento objeto deste capítulo. Como primeiro passo, recomenda-se a avaliação das condições do local da obra (críticas, pouco críticas, favoráveis) e do tipo (severas, pouco severas, apropriadas) de aplicação para o geotêxtil. Holtz et al. (1997) e FHWA (1989) apresentam questões a serem consideradas em função das características da obra. Destas, apresentam-se a seguir as consideradas relevantes para o tipo de obra em apreço: Se houver ruptura do sistema de controle de erosão, há risco de perdas de vidas humanas? Quando o sistema de controle de erosão protege uma determinada estrutura, se houver ruptura desse sistema há possibilidades de danos significativos na estrutura? Se houver colmatação do geotêxtil, há risco de ruptura inesperada do sistema como um todo? Acontecerá ruptura catastrófica? Se houver ruptura do sistema de controle de erosão, os custos de correção excederão os custos de instalação? O solo a ser protegido apresenta granulometria descontínua. Nesse caso, poderia haver a possibilidade de ocorrência de segregação e esqueletização do solo assoreado? Os solos apresentam silte e areia uniforme com 85% passando na peneira 0,15 mm? O sistema de controle de erosão estará sujeito a condições de fluxo cíclico? Qual a influência desse fluxo na perda da capacidade de drenagem do geotêxtil? O nível d’água baixa lentamente ou rapidamente no solo assoreado e nas ombreiras do represamento? A obstrução do geotêxtil produzirá altas pressões hidráulicas? Num segundo passo, devem-se coletar amostras do solo a ser protegido e proceder-se à realização de ensaios para obtenção dos seguintes dados: – análise granulométrica; – obtenção dos diâmetros equivalente a 10% (D10), 60% (D60) e 85% (D85) passante; – determinação da percentagem passante na peneira 0,075 mm; – obtenção do coeficiente de não uniformidade do solo: Cu = D60/ D10; 205 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Obs.: Quando o solo a ser protegido contém partículas passando na peneira 0,075 mm, usa-se somente a fração de solo passante na peneira 4,75 mm para a escolha do geotêxtil. – com os valores de D85 para cada tipo de solo do local, deve-se selecionar o solo para a pior situação quanto ao critério de retenção; – limites de Atteberg – determinação do índice de plasticidade (IP); – permeabilidade do sedimento e do material dos taludes da erosão. No terceiro passo, faz-se a verificação dos critérios de filtro para seleção do geotêxtil, conforme Tabela 1. Tabela 1 – Critérios para seleção de geotêxteis (modificado - Holtz et al., 1997). I. Critério de Retenção (Resistência a piping)1 Fluxo permanente Fluxo dinâmico e cíclico (se o geotêxtil pode mover-se) AOS ou O95 ≤ B D85 Cu ≤ 2 ou ≥ 8: B=1 2 < Cu ≤ 4: B = 0,5 Cu 4 < Cu < 8: B = 8/ Cu O95 ≤ 0,5 D85 ≥ 50% passando 0,075 mm Tecido: O95 ≤ D85 Não tecido: O95 ≤ 1,8 D85 O95 ≤ 0,5 D85 Para solos coesivos (IP > 7) O95 (geotêxtil) ≤ 0,3 mm Solos < 50% passando2 0,075 mm II. Critério de Permeabilidade/ Permissividade3 Aplicações Críticas e Severas kgeotêxtil ≥ 10 ksolo B) Aplicações Pouco Críticas e Pouco Severas (com areia média a grossa e cascalho) kgeotêxtil ≥ ksolo C) Permissividade Requerida ψ ≥ 0,7 s-1 para < 15% passando 0,075 mm; -1 ψ ≥ 0,2 s para 15 a 50% passando 0,075 mm; ψ ≥ 0,1 s-1 para > 50% passando 0,075 mm. 206 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) I. Critério de Retenção (Resistência a piping)1 III. Critério de Colmatação4 A) Aplicações Críticas e Severas Selecionar o geotêxtil encontrado I, II, IIIB e executar o ensaio de filtração solo/geotêxtil antes da especificação, pré-qualificação do geotêxtil, ou depois de selecionado, antes da solução apresentada. Alternativa: usar lista aprovada de especificação para aplicação de filtração. Método de ensaio sugerido: Gradient Ratio, ASTM D 5101 para solos pouco coesivos ou Hydraulic Conductivity Ratio, ASTM D 5567 para solos coesivos. B) Aplicações pouco Críticas e pouco Severas Desempenho do ensaio de filtração solo/geotêxtil; Alternativa: O95 ≥ 3 D15 para Cu > 3; Para Cu ≤ 3, especificar o geotêxtil com o tamanho de abertura máxima possível para o critério de retenção; Para solo com % passando 0,075 mm. > 5% < 5% geotêxtil monofilamento tecido, POA ≥ 4% ≥ 10% geotêxtil não tecido, porosidade.5 ≥ 50% ≥ 70% Notas: 1. Quando o solo protegido contém partículas que passam na peneira 0,075 mm, usar somente a fração de solo passante na peneira 4,75 mm para escolha do geotêxtil. 2. Selecionar o geotêxtil com base no valor da maior abertura nominal requerida. 3. A permeabilidade deve ser baseada na atual área abertura do geotêxtil avaliada para o fluxo. Por exemplo, se 50% da área do geotêxtil deve ser recoberta por blocos de concreto, a área de fluxo efetiva é reduzida em 50%. 4. Os ensaios de filtração são ensaios para verificação do desempenho do geotêxtil. E dependem do solo específico e das condições de projeto. Os requisitos de porosidade são baseados na porosidade de filtros granulares graduados. Obs.: Além dos critérios citados na Tabela 1, Holtz et al. (1997) citam algumas características de sobrevivência dos geotêxteis que devem ser observadas na fase de instalação, construção e durante a vida útil da obra, tais como: resistência ao arrancamento, deformação, resistência de costuras, resistência à penetração, resistência ao impacto, resistência ao rasgamento e degradação por raios ultravioleta. 2.3.5 Procedimento para instalação do geotêxtil As exigências de construção dependerão do tipo de aplicação e das condições específicas do local. Para o sistema de barramento proposto, é fundamental a preocupação com a sua ancoragem, tanto nas ombreiras como no fundo da erosão. Devem-se adotar os seguintes procedimentos gerais: Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 207 a) na preparação da superfície de suporte do sistema de controle de erosão, deve-se fazer a regularização com enchimentos de possíveis depressões e proceder-se à remoção de materiais que possam danificar o geotêxtil; b) verificar as sobreposições e costuras dos geotêxteis e o espaçamento entre os pinos de fixação – o geotêxtil deve ser colocado de tal forma que não fique sob tensão com possibilidade de ocorrência de danos quando de sua instalação; c) evitar a formação de rugas no geotêxtil; d) implantar as devidas ancoragens para que se evite a remoção, mesmo que parcial, do geotêxtil. 2.3.6 Procedimentos para execução de projeto de barramento A seguir são descritos, de forma simplificada, os principais procedimentos de projeto a serem adotados no dimensionamento dos barramentos. 1º Passo: Verificação das Condições Locais Neste item, deve-se fazer uma completa avaliação das condições locais objetivando-se verificar as condições geológicas, geotécnicas e geomorfológicas, bem como a estimativa do volume de escoamento superficial e a produção de sedimentos a montante, pois nada justificaria a instalação de barramentos caso não houvesse produção de sedimentos para enchimento. A avaliação pode ser feita a partir de visitas durante eventos chuvosos, ou fazendo-se coletas periódicas de fluido oriundo do fluxo superficial. O volume de solo a ser retido nos barramentos pode ser estimado pela Equação Universal de Perdas de Solo, embora grande parte do sedimento possa ter origem na própria erosão e, nesse caso, essa equação geralmente não se ajusta bem devido ao fluxo concentrado de água. 2º Passo: Dimensionamento do Sistema Neste item, deve-se considerar uma série de análises com o objetivo de não comprometer o sistema, principalmente em termos de estabilidade. A seguir, têm-se as principais análises a serem consideras no dimensionamento: a) determinação da profundidade de ancoragem das hastes (cálculo das fichas); b) análise de estabilidade dos taludes laterais considerando-se o efeito do nível d’água represado (essa análise indicará qual o incremento de altura mais recomendável para o barramento de modo a evitar rupturas de talude laterais durante o processo de recuperação da erosão); c) análise de estabilidade dos taludes longitudinais formados pelos barramentos, tanto local quanto global; 208 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB d) dimensionamento das hastes, que podem ser tanto de madeira quanto metálicas; e) definição da tela, devendo esta ser flexível e resistente ao esforço solicitante e podendo ser metálica ou não; f) definição do geotêxtil mais apropriado a ser utilizado no sistema, devendo ser verificadas as propriedades físicas, mecânicas, hidráulicas e de resistência às intempéries; g) dimensionamento do vertedouro a ser executado no barramento, devendo ser dada prioridade à forma triangular de modo a centralizar o fluxo. 3º Passo: Instalação do Modelo em Campo. A seguir, apresentam-se os principais cuidados que devem ser tomados quando da execução da obra: a) certificar-se de que durante a instalação do sistema não haja possibilidade de chuvas que ofereçam risco à sua implantação; b) certificar-se de que todos os materiais e equipamentos a serem utilizados estejam totalmente disponíveis na obra; c) realizar limpeza total da área na qual será implantado o sistema de barramentos. Evitar ao máximo provocar instabilidade nos taludes laterais quando da limpeza ou remoção desnecessária de proteções naturais, como a cobertura vegetal. Chama-se à atenção o fato de que os taludes de ravinas e voçorocas se encontram geralmente com coeficientes de segurança quanto à ruptura próximo de um, requerendo, assim, o máximo cuidado e atenção para com os critérios de segurança. Recomenda-se, ainda, verificar a eventual presença de trincas de tração no topo dos taludes, pois estas são sinais de instabilidade; d) avaliar a superfície de suporte, principalmente os taludes e o fundo, de forma a evitar eventuais depressões e a presença de materiais que possam danificar o geotêxtil; e) verificar sobreposições e costuras dos geotêxteis; f) verificar espaçamento dos pinos de fixação do geotêxtil; g) evitar a colocação do geotêxtil sob tensão de modo a minimizar o risco de danos; h) evitar a formação de rugas no geotêxtil e proceder às devidas ancoragens. 2.4 Exemplos de implantação do modelo em campo A seguir, apresenta-se a implantação de um modelo similar ao discutido neste Capítulo no Município do Prata, Estado de Minas Gerais, desenvolvido ao longo da tese de doutorado de Farias (2005) – Publicação G.TD-026/05 do Programa em Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília – e ou- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 209 tro no Distrito Federal, às proximidades de Brasília, como objeto de estudo no Projeto Final de Graduação de Carlos Antônio Bernardes Ferreira do Instituto de Ensino Superior Planalto (Publicação 096/2006). 2.4.1 Caso 1: localização da área de estudo O Município do Prata está localizado na porção central da mesorregião denominada Triângulo Mineiro / Alto Paranaíba, no Estado de Minas Gerias, entre as bacias dos rios Paranaíba e Grande, que fazem parte da bacia do rio Paraná. O Município é delimitado aproximadamente pelos paralelos S 18º 55’ 00’’ e S 19º 24’ 00” e pelos meridianos W 48º 24’ 00’’ e W 49º 10’ 00’’. Sua área total é de 4.899 km2. Os Municípios limítrofes são: ao Norte, Monte Alegre de Minas e Ituiutaba; ao Sul, Comendador Gomes, Campo Florido e Veríssimo; a oeste, Campina Verde, e a leste, Uberlândia. Prata tem como limites naturais o rio Tejuco na porção ao norte e os rios Verde e do Peixe ao sul. A principal via de acesso ao Município é a BR 153, ligando-o aos estados de Goiás e São Paulo, e a MG 497, ligando os Municípios de Uberlândia e Campina Verde. 2.4.2 Considerações sobre o processo erosivo na região Francisco (2003), em sua dissertação de mestrado, reporta que os processos erosivos que ocorrem em algumas fazendas da empresa Faber Castell, no Município do Prata (MG), são decorrentes das ações conjugadas dos fluxos superficial e subsuperficial concentrados, além da susceptibilidade natural do solo a ocorrências erosivas e da forma incorreta de seu uso e ocupação desde a década de 60. Essas ocorrências erosivas estão associadas aos carreadores de escoamento de produção, uma vez que estes favorecem a concentração do escoamento superficial. Em decorrência dos processos erosivos, surgem outros danos, tais como: assoreamento de canais fluviais, perda de fertilidade do solo e desvalorização do imóvel rural. As erosões regionais, em sua maioria, apresentam morfologias em forma de “U” quando se tem a evolução associada a fluxo subsuperficial e superficial e concentrados (voçorocas), e em “V” quando se tem apenas fluxo superficial concentrado (ravinas). Elas são caracterizadas por apresentarem taludes íngremes estáveis no período de seca e instáveis no período chuvoso, evoluindo lateralmente por solapamento basal e quedas de blocos. Mostram características mistas entre ravina e voçoroca, podendo, durante o período chuvoso, sofrer influência da dinâmica de oscilação do nível freático e se conectar a surgências d’água, justamente quando aumenta a intensidade erosiva. Francisco (2003) mostra também o cadastramento de 43 ravinas e duas voçorocas nas fazendas da Faber Castell, no Município do Prata (MG). Na fazenda 210 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Buriti dos Bois, houve o cadastramento de sete erosões lineares, sendo seis ravinas e uma voçoroca. O pesquisador realizou vários ensaios de caracterização e constatou que os solos presentes na área de estudo possuem, em sua maioria, granulometrias que variam das areias grossas até argilas. A erosão estudada está localizada na Fazenda Buriti dos Bois e apresenta um perfil geotécnico com apenas um horizonte e forma geométrica aproximada em V. 2.4.3 Detalhes dos procedimentos adotados para o projeto Nos itens a seguir, são descritos os principais procedimentos utilizados para o dimensionamento e a execução do projeto para recuperação de uma erosão no Município do Prata. 1º Passo: Verificação das Condições Locais Primeiramente, realizaram-se visitas a diversas áreas das fazendas da Faber Castell e optou-se por trabalhar numa das erosões da Fazenda Buriti dos Bois, em função da elevada produção de sedimentos e por permitir a instalação do sistema sem o seu comprometimento em termos de estabilidade. A) Estimativa do volume de escoamento superficial A estimativa do volume de escoamento superficional pode ser obtida pelo método racional a seguir: Q=C.i.A (1) onde: Q = vazão de escoamento (m3/s); C = coeficiente de escoamento; i = intensidade da chuva (mm/h); A = área superficial de escoamento (ha). Geralmente, usa-se C = 0,2 para superfícies rugosas e C = 0,6 para superfícies lisas. Deve-se utilizar a precipitação pluviométrica, i, apropriada para a localidade. Para a situação em questão, adotou-se uma chuva de projeto de 50 mm/h. Como não se dispunha de um levantamento topográfico preciso para determinar a área de contribuição, utilizou-se uma área aproximada igual a 1 (um) hectare (=10.000 m2). Com esses valores, tem-se Q = 0,2 x 0,05 x 10.000 = 100 m3/h. B) Estimativa do volume de sedimentos A estimativa do volume de sedimentos pode ser obtida pela Equação Universal de Perdas de Solos ou pela própria equação prática apresentada por Ri- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 211 chardson & Middlebrooks (1991), citados por Holtz et al. (1997), que é apresentada a seguir: A = 2,2.R.K.L.S.C.P ............................................. (2) onde: A = perda de solo por unidade de área e tempo – as unidades são (t/ha.ano); R = fator de erosividade da chuva, que expressa a capacidade erosiva da precipitação média anual da região; K = fator de erodibilidade do solo, que representa a potencialidade do solo em sofrer erosão quando submetido a uma determinada chuva; LS = fator de declividade e comprimento do talude; C = fator que expressa o uso e manejo do solo e cultura (C = 1 para cobertura inexistente); P = fator que expressa a prática conservacionista do solo (P = 1 para práticas mínimas). Geralmente os valores de R são adotados, conforme apresentados a seguir: R < 250 – erosividade fraca; 250 < R < 500 – erosividade moderada; 500 < R < 750 – erosividade moderada à forte; 750 < R < 1000 – erosividade forte; R > 1000 – erosividade muito forte. Como simplificação prática, Richardson & Middlebrooks (1991) apresentam que os valores do produto KLS podem ser obtidos da Figura 5, apresentada a seguir. Figura 5 – Fator KLS para perda de solos versus inclinação do terreno (modificado – Richardson & Middlebrooks, 1991). 212 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Adotando-se os valores de R = 500; KLS = 0,05 (para declividade de 5% na Figura 5); C = 1 e P = 1, tem-se A = 55 ton/ha.ano. Observação: Segundo Carvalho (1994), os valores de K variam de fraco a elevado, seguindo a classificação a seguir: K < 0,15 – erodibilidade fraca; 0,15 < K < 0,30 – erodibilidade média; K > 0,30 – erodibilidade elevada. Após verificação das condições geológicas, geotécnicas e geomorfológicas locais, da estimativa do volume de escoamento superficial, produção de sedimentos a montante e determinação dos comprimentos da fichas das hastes, efetuaram-se as análises de estabilidade dos taludes, apresentadas a seguir. 2º Passo: Dimensionamento e Verificação da Estabilidade do Sistema A) Comprimento das fichas das hastes Decidiu-se por trabalhar com um total de quatro barramentos com 4, 3, 2 e 1 metro de altura, sendo implantados inicialmente três, conforme mostra a Figura 6, a qual mostra o sistema dimensionado quanto à profundidade com que cada haste deveria ser enterrada. O cálculo da ficha de cada barramento foi feito seguindo as recomendações de Bowles (1968) para cortinas em balanço. Figura 6 – Dimensionamento das fichas de cada haste. Apesar de a Figura 6 mostrar profundidades bastante elevadas para as fichas, verifica-se que a profundidade pode ser da ordem de 1,5 metro ao considerar a execução dos barramentos em etapas, com a altura útil dos barramentos Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 213 também da ordem de 1,5 metro. Isso se dá em função do preenchimento dos barramentos posteriores que, por resistência passiva do solo acumulado, aumentam a estabilidade dos anteriores. Em muitos casos, torna-se difícil a escavação da profundidade compatível com a estabilidade do sistema, devido à resistência que alguns solos do talvegue da erosão apresentam. Para alcançar a estabilidade com a limitação da escavação, pode ser necessário que se opte pela construção de contrafortes à jusante ou implantação de ancoragem à montante dos barramentos (Figura 7). Outro sistema que pode ser adotado para o aumento da estabilidade é o apresentado na Figura 8, onde se trabalha com o reforço do solo em etapas à medida que ocorre o assoreamento, com ressalvas, pois seria difícil controlar o espaçamento entre camadas de reforço. Figura 7 – Ancoragem com tirante objetivando-se diminuir a escavação. Figura 8 – Solo reforçado com os sedimentos retidos. 214 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB B) Análise de Estabilidade dos Taludes Laterais da Erosão Dada a importante profundidade da erosão, aproximadamente 8 metros, foram efetuadas análises de estabilidade dos taludes visando verificar se as alterações de geometria e saturação das suas bases durante o processo de recuperação da erosão provocariam deslizamentos e/ou instabilidades de massas de solo. Os deslizamentos contribuem para o alargamento da erosão, podendo comprometer o sistema de barramentos instalado. Nas análises dos taludes laterais, foram utilizados, para o solo natural, coesão de 10 kPa, ângulo de atrito de 30º, peso específico natural de 15,8 kN/m3 e inclinação do talude de 60º, sem, contudo, considerar a sucção no solo. Embora a sucção contribua para a melhoria da estabilidade, optou-se por considerar os parâmetros de resistência do solo saturado devido à condição de excessivo aumento de umidade imposta pelo represamento nos momentos de acumulação dos sedimentos. Os parâmetros do solo natural indeformado em condição inundada foram obtidos em ensaios de cisalhamento direto. O peso específico natural foi obtido com o emprego do método da balança hidrostática (ABNT/NBR 10.838). A Figura 9 mostra a envoltória de resistência obtida em ensaios de cisalhamento direto realizado em amostras indeformadas. Figura 9 – Gráfico obtido para o ensaio de cisalhamento direto da amostra indeformada, inundada. Para a verificação da estabilidade nos taludes laterais, foram estudados 16 casos seguindo a forma de recuperação da erosão prevista para o campo. Com isso, analisaram-se situações em que houvesse o aumento da altura de sedimentos de metro em metro de forma que sempre ficasse um desnível de 1 metro entre o primeiro e o segundo barramento e 1 metro entre este e o terceiro barramento. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 215 Apresentam-se, a seguir, os resultados das análises de estabilidade dos taludes efetuadas com o programa SLOPE/W, Versão 5. Nos resultados obtidos das análises por esse programa, são mostrados o maciço de solo, a malha de centros críticos, a superfície de ruptura crítica e o menor fator de segurança obtido, conforme ilustrado na Figura 10 obtida para o primeiro caso. No primeiro caso (Figura 10), verificou-se a estabilidade dos taludes da erosão na condição em que se encontrava, ou seja, sem nenhuma interferência externa na erosão. Por intermédio da Figura 10, observa-se que as condições adotadas para o talude e o perfil de solo propiciam um fator de segurança de 1,122. Na realidade, se for considerado o efeito da sucção, esse valor seria provavelmente apenas um pouco maior, tendo em vista tratar-se de material arenoso com fácil aumento do grau de saturação durante eventos chuvosos. Figura 10 – Caso 01: talude natural - análise de estabilidade sem interferência na erosão. No segundo caso, os resultados foram obtidos para as mesmas condições geométricas da Figura 10, porém considerando o nível d’água de 1 metro na face do talude. Essa seria a condição para o primeiro barramento com 1 metro de altura em que, após a instalação do sistema, ocorresse um evento chuvoso com acúmulo de fluido no barramento até essa altura. Verificou-se que as condições adotadas para o talude e o perfil de solo nesse caso propiciam um fator de segurança de 1,067, caracterizando a redução da estabilidade do talude para a condição apresentada. 216 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB No terceiro caso, consideraram-se as mesmas condições geométricas do caso anterior, porém adotando-se 1 metro de solo sedimentado produzido e retido a montante do primeiro barramento, adotando-se para esse sedimento ângulo de atrito igual a 25º, coesão de 3 kPa e peso específico aparente do solo de 12 kN/m3. Tais valores foram adotados de acordo com bibliografias sobre o assunto para esse tipo de solo. Verificou-se que as condições adotadas para o talude e o perfil de solo resulta em um fator de segurança de 1,215, mostrando um leve aumento na estabilidade em relação ao caso anterior. No quarto caso, determinou-se a estabilidade para as mesmas condições geométricas do caso anterior, porém considerando-se um nível d’água de aproximadamente 1,0 metro acima do solo sedimentado, que seria a situação com a ocorrência de assoreamento total do primeiro, segundo e terceiro barramento e a consequente instalação do aumento de 1,0 metro para o primeiro barramento, ou seja, um segundo estágio da recuperação, com a ocorrência de um evento chuvoso. Na análise desse caso, verificou-se que as condições adotadas para o talude e o perfil de solo propicia um fator de segurança de 1,019, indicando uma nova redução das condições de estabilidade. A Tabela 1 apresenta os 16 casos considerados para as análises de estabilidades dos taludes naturais, bem como a plotagem dos valores na Figura 11, em que cada situação estudada é analisada de forma sequencial para as situações que ocorreriam durante a recuperação do processo erosivo. A Tabela 1 e a Figura 11 mostram que, para a situação estudada, ocorre uma leve diminuição na estabilidade dos taludes laterais num primeiro momento com a ocorrência de eventos chuvosos, vindo estes a se estabilizarem após uma determinada altura de acumulação dos sedimentos. Portanto, as análises mostram ser necessário avaliar a evolução do fator de segurança dos taludes laterais da erosão quando da implantação desse tipo de obra. Tabela 1 – Resultados das análises dos taludes naturais. Caso Altura (m) Talude Natural Solo Sedimentado Água Fator de Segurança Obtido (FS) 01 8 0 0 1,122 02 8 0 1 1,067 03 8 1 0 1,215 04 8 1 2 1,019 05 8 2 0 1,333 06 8 2 3 1,088 07 8 3 0 1,443 217 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (continuação) Caso Altura (m) Talude Natural Solo Sedimentado Água Fator de Segurança Obtido (FS) 08 8 3 4 1,062 09 8 4 0 1,656 10 8 4 5 1,113 11 8 5 0 1,969 12 8 5 6 1,185 13 8 6 0 2,831 14 8 6 7 1,428 15 8 7 0 4,680 16 8 7 8 1,821 Figura 11 – Fator de segurança x Altura do barramento. Após a verificação dos taludes laterais, partiu-se para as análises quanto ao talude longitudinal formado pelos barramentos quando do preenchimento total do sistema implantado. A Figura 12 mostra um talude equivalente ao que seria formado quando o sistema estivesse totalmente preenchido com sedimentos para altura de quatro metros. Esse talude possui comprimento de 8,0 metros e inclinação de 26,6º. Os parâmetros utilizados para a análise foram os do solo sedimentado. O fator de segurança obtido foi de 1,751, considerado satisfatório para a condições locais. Entretanto, quando se simulou a saturação total do talude, o fator de segurança caiu para 0,630, condição instável para a situação apresentada. 218 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 12 – Talude similar ao que seria formado quando o sistema estivesse totalmente preenchido com sedimentos. Com as análises realizadas, partiu-se então para uma situação mais realista, ou seja, a simulação com a introdução das estacas de madeira. Para a introdução das estacas de madeira na simulação, utilizou-se a resistência ao cisalhamento paralela às fibras (pior situação – apesar de o cisalhamento, nesse caso, ocorrer predominantemente perpendicular às fibras) e transformou-se em resistência para um elemento de solo, conforme descrito a seguir e mostrado na Figura 13. Figura 13 – Elemento de solo transformado. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 219 Os diâmetros das estacas de madeira utilizadas na implantação do modelo apresentam média de 8,0 a 12,0 cm, sendo as de 12,0 cm utilizadas para o primeiro e segundo barramento, e as de 8,0 utilizadas para o terceiro barramento. A madeira utilizada foi o Eucaliyptus Citriodora, que possui resistência ao cisalhamento de 10.700 kPa (Pfeil, 2003). Mesmo se multiplicando este valor pela área com menor diâmetro da madeira (8,0 cm), tem-se a força de 5378 kgf, e dividindo-se este valor pela faixa de solo (8 cm x 60 cm – distância entre as hastes), tem-se uma resistência equivalente de 1120 kPa. Para a análise, utilizou-se apenas 100 kPa e obteve-se um fator de segurança igual a 3,130, indicando uma condição bastante estável para a situação apresentada. Numa segunda análise, simulou-se a saturação completa do talude formado e o fator de segurança caiu para 1,801, mesmo assim indicando boa estabilidade global para o sistema formado. As Figuras 18 e 19 mostram as análises efetuadas. Cabe destacar que, caso permanecesse a situação de instabilidade do talude longitudinal formado pelos barramentos, dever-se-ia buscar uma nova configuração de modo a propiciar a sua suavização. Ressalta-se, ainda, que, em projetos como o desenvolvido, devem ser avaliados o tempo de degradação da madeira e o ganho de resistência do solo nesse mesmo período devido aos processos de adensamento e desidratação do solo assoreado. Cabe ainda frisar que a análise de estabilidade ao longo do comprimento da voçoroca que acaba de ser apresentada é aproximada, pois o problema é tipicamente tridimensional e a análise realizada como ilustrado na Figura 14 é bidimensional. Figura 14 – Talude que seria formado quando o sistema estivesse totalmente preenchido com sedimentos. 220 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB C) Dimensionamento das Hastes C.1) Análises quanto à deformabilidade das hastes A deformabilidade da haste pode ser estimada, utilizando-se o Princípio dos Trabalhos Virtuais (PTV). Considerou-se, nessa análise, apenas a deformabilidade da haste, não sendo levada em conta, por este método, a influência do solo (Equação 3). (3) onde: δ = deslocamento; q = carregamento; L = comprimento do balanço; E = módulo de elasticidade do material; I = inércia transversal da peça. C.2) Análise quanto à flexão No dimensionamento, segundo a NBR 7190, de peças de madeira maciça em flexão simples, são verificadas as tensões que se seguem. a) Tensões normais de flexão nos bordos mais comprimidos e mais tracionados da seção da peça: (4) (5) onde: Md = momento fletor solicitante de projeto; Wt, Wc = módulos de resistência à flexão referidas aos bordos tracionado e comprimido da seção, respectivamente; W = I/y, em que “I” é o momento de inércia da seção, e “y” é a distância entre o centro de gravidade da seção e o ponto considerado para cálculo de tensão; ƒtd, ƒcd = tensões resistentes de projeto à tração e à compressão paralelas às fibras, respectivamente. Para uma seção retangular, de base b e altura h, as Equações 4 e 5 conduzem a: (6) (7) Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 221 Para a madeira utilizada, Eucaliyptus citriodora, ƒcd = 62,0 MPa e ƒtd = 123,6 MPa (Pfeil, 2003). A Figura 15 apresenta as tensões normais no elemento de solo considerado para o cálculo de verificação quanto às tensões de flexão. Figura 15 – Tensões normais no elemento retangular considerado. Para o ângulo de atrito do sedimento igual a 25º, peso específico de 12 kN/ m3, altura do barramento de 4 metros e espaçamento de 60 cm entre as hastes, verificou-se que a tensão solicitante de compressão seria maior que a resistente da madeira para a altura de 4 m. Entretanto, como a haste não ficaria com balanço total de 4 metros, testou-se com um balanço de 3 metros. Nessa situação, o momento resistente seria maior que o solicitante, sendo a condição atendida. D) Escolha da tela metálica A tela metálica escolhida foi a comercialmente conhecida como tela galinheiro com arame de dois milímetros de diâmetro e abertura de 5 cm. Optou-se por utilizar essa tela em função de sua rigidez não ser tão elevada, o que facilitou a trabalhabilidade. E) Dimensionamento / Seleção do Geotêxtil E.1) Propriedades Hidráulicas Para geotêxteis submetidos à retenção de partículas em escoamento, Holtz et al. (1997) sugerem utilizar o O95 nominal do geotêxtil e os valores de permissividade conhecidos, como seguem: 0,15 mm < O95 < 0,60 mm para geotêxteis tecidos; 0,15 mm < O95 < 0,30 mm para todos os outros geotêxteis; Permissividade, ψ > 0,02 s-1. Como os ensaios para verificação da interação solo-geotêxtil realizados em laboratório mostraram que um geotêxtil não tecido com gramatura de 150 g/m2 apresentou não só um bom desempenho/trabalhabilidade para os solos estudados, como também O95 de 0,131 mm (próximo ao recomendado por Holtz et al, 1997), optou-se por utilizar esse geotêxtil no modelo de campo. 222 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB E.2) Propriedades Físicas e Mecânicas Os geotêxteis devem ser capazes de suportar tanto a água represada quanto os sedimentos retidos a montante do barramento. Por isso, o esforço de tração mobilizado depende da altura e do espaçamento entre as hastes. Para os esforços em questão, o geotêxtil utilizado tem gramatura de 150 g/m2, com resistência superior a 7 kN/m. E.3) Estimativa do volume passante pelo geotêxtil Apesar de se saber que existe uma parcela de material passante pelo geotêxtil, ela foi desprezada em função de ensaios realizados em laboratório terem mostrado que, a partir de um determinado instante, há considerável redução no fluxo passante pelo geotêxtil. F) Dimensionamento do Vertedouro O Cálculo do vertedouro pode ser obtido pela Fórmula de Francis, indicada a seguir para vertedouro com contrações, cuja largura é inferior à do canal em que se encontra instalado (L < B), conforme mostrado na Figura 16. Deve-se notar que o mais indicado seria o dimensionamento de um vertedouro triangular sem contração lateral, pois se teria um maior aproveitamento da altura do barramento. Figura 16 – Tipos de vertedouros para os barramentos. Para o caso de duas contrações laterais, pela Fórmula de Francis para vertedouro retangular, tem-se: (8) No caso de vertedouro triangular, costuma-se utilizar a Fórmula de Thomson, a seguir: Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 223 (9) onde: Q = vazão passante pelo vertedouro; L = largura do vertedouro; H = carga hidráulica do vertedouro. A vazão de escoamento, calculada anteriormente, foi de Q = 100 m3/h. Utilizando-se a Equação 9, pode-se utilizar, entre outras dimensões, L = 0,30 m e H = 0,15 m. Apesar desses valores, além do vertedouro executado, optou-se por utilizar proteção lateral dos taludes com geotêxtil caso houvesse transbordamento do material pelo barramento, conforme mostra a Figura 27. 2.4.4. Instalação dos modelos em campo As Figuras 17 a 22 mostram o procedimento e modelo implantado em campo para recuperação da erosão na fazenda da Faber Castell. Nessa erosão, foram construídos, em janeiro de 2004, três barramentos com espaçamento de 2 metros entre eles. Na instalação do sistema, foram utilizados ferramentas e materiais comuns do dia a dia da construção, tais como: tela metálica tipo pinteiro, geotêxtil, nível de mangueira, grampos, entre outras. O custo total aproximado para a obra foi de R$ 1.105,13, que por metro quadrado de barramento executado ficou em aproximadamente R$ 25,12, ou US$ 9,09 com a cotação do dólar à época (16 de março de 2005). Esse custo está considerando apenas os materiais empregados no barramento, não sendo incluída a mão-de-obra. A fim de evitar o comprometimento das ombreiras na erosão, optou-se por utilizar o sistema em forma de caixa. Nesse sistema, utilizou-se proteção lateral com geotêxtil para todo o trecho onde se instalou o sistema, conforme mostra a Figura 20. A fixação do geotêxtil nos taludes e no talvegue foi executada com pinos metálicos em ferro de 5,0 mm de diâmetro, comprimento de 30 cm e dobra de 3 cm. A Figura 17 mostra o desenho esquemático da fixação do geotêxtil nos taludes e no talvegue da erosão. No mês de agosto de 2004, fez-se uma visita ao local onde se instalou o modelo e pôde-se verificar que o sistema se encontrava em perfeitas condições e que ainda havia pouca quantidade de sedimentos retidos no primeiro barramento (aproximadamente 30 cm de altura), em função das poucas chuvas que caíram após a instalação. Em agosto de 2006, entrou-se em contato com um funcionário da Faber Castell naquela localidade, o qual informou que havia aproximadamen- 224 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB te 50 cm de altura de sedimentos retidos no primeiro barramento. Houve, portanto, nesse caso, uma sobre-estimativa do volume de sedimento que seria gerado a montante e que resultaria no autoassoreamento ao longo dos barramentos. Figura 17 – Desenho esquemático dos pinos de fixação no geotêxtil. Figura 18 – Detalhe de tamanho e espaçamento dos grampos de fixação. Figura 19 – Hastes de madeira instaladas. Vista de montante para jusante do segundo e terceiro barramento. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 225 Figura 20 – Vista geral (de jusante) da obra executada. As Figuras 21 a 26 mostram os detalhes da implantação do modelo para o caso do Distrito Federal. Mais detalhes concernentes ao projeto encontram-se em Ferreira (2006). Nesse caso, percebe-se, pelo volume de sedimentos acumulado após os primeiros eventos chuvosos que se seguiram à implantação do modelo, que houve uma previsão satisfatória dos sedimentos a serem assoreados e que o modelo opera segundo as previsões, sendo satisfatório o seu desempenho. Figura 21 – Vista do local com placa de Figura 22 – Vista geral da Erosão do indicação. Riacho Fundo I. Figura 23 – Disposição das hastes para colocação nos furos. Figura 24 – Implantação das hastes de madeira. 226 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 25 – Barramentos instalados sem canal central de escoamento. Figura 26 – Barramentos instalados com canal central de escoamento (após primeiro evento chuvoso – set. 2006). 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS O método de recuperação de áreas degradadas por ravinas e voçorocas por meio da implantação de barramentos constitui uma técnica alternativa que possibilita solucionar ou mitigar o problema de modo simples e a baixo custo. Os estudos realizados mostram que a adoção da técnica requer: – avaliação do local de implantação, verificando-se o volume de sedimentos gerados a montante, a capacidade de armazenamento e as efetivas condições de implantação quanto à estabilidade do sistema; – análise da estabilidade dos taludes laterais e do próprio barramento; – cuidados com aspectos como estabilidade da estrutura e ancoragem do geotêxtil na fase de instalação; – verificação da necessidade de se construir barramentos sequenciais utilizando-se geotêxteis diferentes para cada um deles, como, por exemplo, um geotêxtil mais leve para o primeiro, intermediário para o segundo e mais pesado para um terceiro barramento. Isso seria importante para evitar possíveis transbordamentos e aumentar a eficiência quanto à retenção de sólidos barramentos concomitantemente, visto que se poderia trabalhar com a retenção de partículas maiores no primeiro, intermediárias no segundo e mais finas num terceiro barramento; – realização, a partir da implantação do sistema de barramentos, do seu monitoramento, principalmente após precipitações pluviométricas intensas, com objetivo de se realizar eventuais ajustes necessários à manutenção de sua eficiência. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 227 BIBLIOGRAFIA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (1997). NBR 7190: Projeto de Estruturas de Madeira. Rio de Janeiro: ABNT. BOWLES, J. E. (1968). Foundation Analysis and Design. Nova York: McGrawHill. 657 p. CARROL, R. G.; RONDECAL, J.; COLLIN, J. G. (1992). Geosynthetics in Erosion Control – The Principles. Geotextiles and Geomembranes. 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Dissertação de Mestrado, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, DF. 159 p. Publicação G.DM-107/03. HOLTZ, R. D.; CHRISTOPHER, B. R.; BERG, R. R. (1997). Geosynthetic Engineerring. Canada: BiTech Publishers Ltd. 451 p. PALMEIRA, E. M. (1997). Solo Reforçado, Taludes e Estruturas de Contenção. Manual Técnico Geotêxtil Bidim. RHODIA S. A. (BIDIM). (1982). Catálogo de Aplicações: Obras Públicas de Engenharia Civil. São Paulo, SP. RIBEIRO, L.F.M. (2000). Simulação Física do Processo de Formação dos Aterros Hidráulicos Aplicado a Barragens de Rejeitos. Tese de Doutorado, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 235 p. Publicação G.TD-005A/00. Capítulo 11 Estruturas de infiltração de água para prevenção de erosões e inundações em áreas urbanas Cláudia Marcia Coutinho Gurjão Eufrosina Terezinha Leão Carvalho Joseleide Pereira da Silva Gilson de Farias Neves Gitirana Junior José Camapum de Carvalho Ricardo Silveira Bernardes 1 Introdução A expansão urbana nas últimas décadas, no Brasil, tem sido acompanhada por problemas em praticamente todos os aspectos ligados à infraestrutura, como, por exemplo, saneamento, transporte, habitação e abastecimento. Esses são fruto das necessidades geradas pelo meio urbano, mas existem ainda as consequências ambientais da ocupação urbana. Neste último aspecto, ela gera alterações no clima e no ciclo hidrológico e coloca o problema da destinação dos efluentes das águas pluviais e servidas. A expansão do ambiente urbano pode alterar o ciclo hidrológico nas cidades em dois vieses, ao causar o aumento das superfícies impermeabilizadas e ao intervir nas edificações e nos subsolos no fluxo natural da água. Com a impermeabilização da superfície do solo, uma considerável parcela da água que normalmente se infiltraria passa a compor o volume de escoamento superficial mais concentrado, ocasionando o aumento dos volumes escoados e das vazões de pico. Já os subsolos, quando atingem o nível freático, geram a ascensão do nível d’água local e comprometem o fluxo natural com reflexos diretos na biota que ocupa o subsolo. Como consequência exteriorizada, tem-se o aumento da frequência e da magnitude dos alagamentos e inundações (Figura 1), a ampliação de erosões (Figura 2) e a escassez de água nas nascentes no período de seca. Os dispositivos de infiltração surgem, então, como uma necessidade imperiosa para resolver grande parte desses problemas. O uso sistemático desses dispositivos de infiltração como elemento de drenagem urbana no Brasil ainda é muito restrito, sendo difícil encontrar trabalhos publicados relatando essa utilização. Publicações científicas internacionais que trazem exemplos de aplicação desses dispositivos apresentam aplicações em regiões com características hidrológicas e geotécnicas diferentes das encontradas no Brasil, principalmente no que se refere à precipitação e ao tipo de solo. Podese afirmar, portanto, que são necessários estudos que avaliem o emprego de tais tecnologias (Souza, 2002). 230 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 1 – Rua localizada no Bairro São Francisco na cidade de Boa Vista – RR, 2006. Figura 2 – Erosão junto à cidade satélite de Ceilândia – DF, 2006. Este capítulo busca apresentar resultados de pesquisas recentes a respeito do uso de estruturas de infiltração para o controle de fluxos superficiais no local onde são produzidos. Tais estruturas são construídas com a finalidade de minimizar os impactos da impermeabilização nas cidades. 2 Estruturas de Infiltração A drenagem urbana convencional atua na eliminação rápida da água pluvial e, desse modo, transfere a cheia para outras áreas, provocando alagamentos, inundações e erosões de grandes proporções, as quais geram o assoreamento de cursos d’água e de reservatórios. De acordo com Fujita (1996), dispositivos alternativos de controle do escoamento superficial desempenham papel fundamental no que se refere às melhorias ecológicas no ciclo da água no meio urbano. Segundo Baptista et al. (2005), as técnicas compensatórias surgem para atuar na retenção e na infiltração das águas precipitadas, possibilitando ganhos na qualidade das águas pluviais. Os mesmos autores citam a classificação das técnicas compensatórias em: não estruturais, que atuam no retardamento do escoamento (revestimento de canais e pavimentos rugosos, controle na fonte, etc.), e estruturais, que permeiam as técnicas de retenção e infiltração e se diferem, principalmente, pela geometria e pela capacidade de captação do volume escoado (trincheiras, colchões drenantes, valetas, valas, poços de infiltração, etc.). As águas de origem pluvial possuem carga poluente equivalente e, às vezes, até mesmo superior à carga poluente presente nos esgotos sanitários (Ellis & Hvited-Jacobsen, 1996). Além disso, Ide (1985) e Chebbo (1992) relatam que a carga de poluição nas águas pluviais é tão nociva quanto à dos esgotos domésticos, sendo da mesma ordem de grandeza e não podendo ser desprezada Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 231 quando se trata da qualidade do meio receptor (em geral os cursos d’água do meio urbano). A diferença crucial é que a poluição transportada pelas águas do escoamento pluvial é composta, essencialmente, por materiais em suspensão e metais pesados. Fujita (1996) e Kampfmann & Wegner (1996) defendem a valorização da água no meio urbano como aspecto importante a ser considerado quando da concepção de medidas de controle do escoamento superficial. Nesse sentido, os dispositivos alternativos desempenham papel fundamental no que se refere às melhorias ambientais no ciclo da água em meio urbano. No Brasil, têm sido realizadas pesquisas no sentido de entender as particularidades dos solos tropicais: suas estruturas, estabilidade e condição de infiltração. Dentro desse contexto, vêm sendo estudados os tipos de estruturas de infiltração a seguir descritos. Trincheiras – foram implantadas no Campus experimental do Programa de Pós-Graduação da Universidade da Universidade de Brasília (UnB). Procurouse utilizar como material de enchimento elementos recicláveis potencialmente de boa capacidade de armazenamento e favoráveis à maior infiltração pela pequena sobrecarga gerada no solo, o que impede o fechamento dos poros na base da trincheira (Silva, 2007). Colchões drenantes – foram implantados no Campus da Universidade Federal de Roraima (UFRR). Foram levadas em conta as condições distintas quanto ao regime de precipitação, ao perfil geológico-geotécnico do solo e ao nível do lençol freático (Gurjão, 2008). Poços de infiltração – foram implantadas em um campo experimental localizado na área do Condomínio Residencial Bosque Sumaré, situado na Rua Marechal Floriano, Parque Anhanguera, Goiânia, GO. Nesta pesquisa, buscouse caracterizar o perfil de solo e sua capacidade de infiltrar. A região estudada representa boa parte do perfil do solo de Goiânia e é área de grande expansão urbana da capital goiana (Carvalho, 2008). Observa-se desse breve relato da literatura que a abordagem do problema é colocada no campo estritamente técnico. No entanto, a solução ou a mitigação dos problemas passa também pelo campo social, pela educação formal e informal da sociedade. Com a educação será possível, por um lado, reduzir as áreas impermeabilizadas e possibilitar o uso de revestimentos drenantes e, por outro, ao evitar o lançamento e depósito indiscriminado de lixo urbano e ao minimizar a emissão de poluentes, será possível melhorar a qualidade das águas pluviais, tornando mais apropriada para o consumo humano e menos poluidora dos mananciais e reservatórios. Considerando a deficiência da maioria dos sistemas de drenagem existentes, a inviabilidade de criar novas redes e a complexidade do solo brasileiro, este capítulo apresenta alguns sistemas estruturais alternativos, como: trincheiras, colchões drenantes e poços de infiltração capazes de armazenar e infiltrar águas de chuva nos picos de vazão. Esses dispositivos podem ser associados a sistemas de armazenamento da água da chuva para consumo. 232 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 2.1 Trincheiras As trincheiras de infiltração (Figura 3) são estruturas que permitem armazenar a água precipitada por tempo suficiente para a sua infiltração no solo, favorecendo a redução dos volumes escoados e das vazões máximas geradoras de enchentes (Azzout et al., 1994; Balades et al., 1998). São geralmente construídas na forma de valetas preenchidas por material granular. Apresentam porosidade em torno de 35%, e o material granular é envolto em geotêxtil. A finalidade do material geotêxtil é impedir a entrada de material fino na estrutura, o que reduziria a capacidade de armazenamento e prejudicaria a drenabilidade (Souza, 2002). As trincheiras, além de terem uma relação harmônica de custo e benefício na redução do volume de escoamento superficial, oferecem ganho paisagístico, possibilidade de recarga do lençol freático e melhoria da qualidade das águas pluviais. As trincheiras permitem que o espaço seja utilizado para outras atividades (Bettess, 1996). Alguns autores, como Baptista et al. (2005), citam como inconvenientes do sistema a necessidade de manutenção periódica, as restrições de eficiência em áreas de forte declive e o risco de poluição do lençol freático, sendo este último comum também a outros elementos estruturais. As trincheiras de infiltração (percolação e/ou drenantes) são estruturas lineares nas quais o comprimento prepondera sobre a largura e profundidade. A geometria depende da infiltrabilidade do solo e da própria área disponível para que se proceda à infiltração. Dependendo das condições locais e do volume a infiltrar, o projeto pode priorizar a infiltração, o armazenamento ou ambos. Geralmente, as trincheiras se destinam a captar grande volume de água a ser infiltrado, são fechadas e permitem o uso paisagístico em harmonia com as demais estruturas. As Figuras 4 e 5 apresentam as interações entre uma trincheira de infiltração com o espaço urbano (Souza, 2002). Como principais limitações dos sistemas de trincheira convencionais estão o uso de agregados naturais e o baixo volume armazenado em relação ao volume escavado para a construção da trincheira. Este capítulo apresenta uma alternativa para que se eliminem tais limitações. Figura 3 – Ilustração de trincheiras de infiltração. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 4 – Interação das trincheiras de infiltração com espaço urbano (Souza, 2002) 233 Figura 5 – Trincheira de infiltração em área urbana. Fonte: California Stormwater BMP Handbook, New Development and Redevelopment (2003). 2.2 Colchões Drenantes Os colchões drenantes, geralmente utilizados em construção rodoviária com a função de drenar e evacuar a água antes que esta atinja a estrutura do pavimento, podem também ser usados com a função inversa de fazer acumular e infiltrar a água de chuva captada em áreas urbanas. O seu uso se torna mais vantajoso em casos em que o lençol freático é superficial, como é o caso de Boa Vista, RR. Nessa situação, o uso de trincheiras se torna inviável (Gurjão, 2008). Segundo o DER-PR, o colchão drenante é a camada executada com areia selecionada, aplicada diretamente sobre os terrenos de fundação de aterros compostos por materiais saturados e de baixa resistência ao cisalhamento, antecedendo a execução do aterro (Figura 6). Destaca-se, no entanto, ser frequente a utilização da técnica em cortes rodoviários. Nesse caso, o mais frequente é o uso de brita em sua constituição. Nas pesquisas efetuadas no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, é proposto o uso de garrafas PET como volume de enchimento, ampliando o capacidade de armazenamento e evitando o uso de agregados naturais, além de dar destinação a um resíduo sólido urbano. 2.3 Poços de infiltração Poços de infiltração são dispositivos pontuais e verticais (Figura 7), que possibilitam a infiltração principalmente na direção radial, ocupando uma pequena área superficial. Em alguns países, são utilizados na recarga de aquíferos, 234 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB podendo ser denominados poços de absorção ou de injeção. Os poços de infiltração se destinam a menores volumes de água a serem infiltrados e podem ser construídos com ou sem preenchimento. Geralmente são revestidos com anéis de concreto com perfurações nas paredes ou revestidos com tijolos maciços assentados em crivo. Embora possam ter enchimento, suas principais vantagens estão associadas exatamente à sua dispensa e à ocupação de pequenas áreas superficiais. Ao apresentar maior profundidade que as trincheiras e os colchões drenantes, amplia-se aqui a preocupação que se deve ter com o risco de erosão interna e de esqueletização estrutural do maciço. Esses problemas podem ocorrer tanto quando do fluxo em direção ao poço, como quando do fluxo a partir deste no processo de infiltração. Figura 6 – Seção esquemática de colchão drenante sobre laje. Figura 7 – Ilustração de poços de infiltração. Neste capítulo, são apresentados alguns modelos que vêm sendo testados para o Município de Goiânia, GO. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 235 3 Metodologia adotada na montagem das estruturas de infiltração 3.1 Escolha do sistema e seleção das áreas A melhor localização para a construção das estruturas de infiltração deve satisfazer as condições mínimas exigidas para o perfeito funcionamento do sistema. Mas em regiões tropicais, dada a presença do manto de intemperismo quase sempre não saturado, poroso, colapsível e erodível, torna-se ainda necessária a avaliação geotécnica da influência do fluxo e do aumento da umidade do solo de modo concentrado na estabilidade estrutural e na capacidade de suporte do solo. Vem daí a necessidade de ensaios de campo para se determinar a área mais propícia (Guimarães, 2002; Mota, 2003; Lessa, 2005; Silva, 2007; Carvalho, 2008) e de estudos de laboratório para se verificar o comportamento mecânico do solo (Silva, 2007). Para a implantação de um sistema de infiltração, é importante se observarem os seguintes aspectos: a) o nível do lençol freático; b) o atendimento ao perfeito funcionamento do sistema com uma boa capacidade de infiltração; c) manutenção de um afastamento seguro entre as estruturas das obras e as estruturas de infiltração para evitar o comprometimento de obras edificadas; d) a manutenção de afastamento seguro entre duas ou mais estruturas de infiltração para evitar interferência entre os bulbos de infiltração; e) avaliação dos riscos de colapso estrutural e de erosão interna do solo. Para a observação desses diferentes aspectos, faz-se necessário definir a extensão do bulbo de infiltração e seus reflexos no comportamento do solo. Para isso, a realização de ensaios de campo e laboratório e a construção de protótipos são de grande relevância. O grupo de pesquisa vem estudando o desempenho de trincheiras, colchões drenantes e poços de infiltração. 3.2 Materiais usados nas Estruturas de Infiltração estudadas Convencionalmente, as trincheiras e os colchões drenantes são preenchidos com agregados pétreos graúdos, de modo a possibilitar a drenagem e a garantir certo armazenamento de água. O peso excessivo desses materiais, no entanto, geralmente termina por compactar ou consolidar o fundo das estruturas de infiltração, reduzindo, assim, a capacidade de infiltração. Para resolver esse problema e maximizar o volume de água armazenado seja nas trincheiras, seja nos colchões drenantes, foram utilizadas garrafas PET (Politereftalato de etila) como material de enchimento. Esses materiais, além de possibilitar maior volume de 236 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB armazenamento de água para o mesmo volume de trincheira escavado, apresentam peso, mesmo quando cheios de água, geralmente inferior ao do solo escavado, evitando, assim, a consolidação da base da trincheira. O seu uso, ao dar destinação a um resíduo sólido que ainda é pouco reciclado, ajuda a mitigar o problema ambiental de excesso de lixo urbano. Além das garrafas PET como material de enchimento, tanto as trincheiras como os colchões drenantes ainda requerem como elementos construtivos complementares areia, brita e geotêxtil (Figura 8). A construção da trincheira de infiltração e do colchão drenante obedeceu à seguinte sequência: 1) escolha, coleta ou aquisição e preparação dos materiais (Figuras 8a, 8b, 8c e 8d); 2) escavação da trincheira com retirada de amostras indeformadas para os ensaios de laboratório (Figuras 9 e 10); 3) construção e montagem da instrumentação para medida de variação do nível d´água nas estruturas (Figura 11); 4) montagem da trincheira e do colchão drenante (Figuras 12 e 13, respectivamente). a) Areia b) Garrafas PET c) Geotêxtil Bidim OP 20 d) Brita 2 Figura 8 – Materiais utilizados no enchimento da trincheira na UnB e do colchão drenante na UFRR: Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 237 a) Areia grossa, b) Garrafas Pet, c) Geotêxtil Bidim OP 20 e d) Brita 2. Figura 9 – Escavação da trincheira – UnB. Figura 10 – Escavação do colchão – UFRR. Figura 11 – Instrumentação utilizada; a) Piezômetro tipo Casagrande e b) Tacômetro. Figura 12 – Montagem da trincheira in situ na Universidade de Brasília. 238 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 13 – Montagem do colchão in situ na Universidade Federal de Roraima. No campo experimental da cidade de Goiânia, foram construídos poços de infiltração de pequeno diâmetro sem revestimento, poço piloto e poço de grande diâmetro em escala real, revestido com tubos de concreto armado perfurado. O procedimento para a execução dos poços e o processo de monitoramento do seu nível d´água estão apresentados nas Figuras 14, 15 e 16. Figura 14 – Construção do poço de infiltração de grande diâmetro. Figura 15 – Configuração final do poço de grande diâmetro e monitoramento da infiltração. Figura 16 – Configuração final do poço de pequeno diâmetro e monitoramento da infiltração. 4 Ensaios realizados Todos os ensaios de laboratório e de campo foram realizados conforme as especificações da Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), Boletins de Ensaios de Permeabilidade em Campo, normatização de procedimentos de ensaios especiais. 4.1 Ensaios de Laboratório Foram realizados ensaios de caracterização física, mineralógica e análise microestrutural por meio do Microscópio Eletrônico de Varredura. Fizeram-se ainda os ensaios de laboratório: permeabilidade, cisalhamento direto, duplo oedométrico (amostra natural e amostra inundada) e Pinhole. Determinou-se a curva 239 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB característica pelo método do papel filtro seguindo-se a trajetória de molhagem, por representar a condição de campo no processo de infiltração. Os perfis de solo foram classificados segundo a metodologia MCT expedita. Nas diversas etapas de montagem e realização dos experimentos de campo, foram determinados os perfis de umidade dos solos. 4.2 Ensaios de Campo Em todas as áreas de implantação das estruturas de infiltração, foram realizadas sondagens preliminares e ensaios de permeabilidade. Depois de implantadas as estruturas de infiltração, essas áreas foram submetidas a ensaios de infiltração, pelos quais se monitora o rebaixamento do nível de água no interior de cada uma delas. O nível do lençol freático não foi encontrado no local de estudo da Universidade de Brasília; foi medido em furos de sondagem na pesquisa de Boa Vista e em poço tipo cisterna no campo experimental da cidade de Goiânia. Nos locais de estudo das duas primeiras pesquisas, além dos ensaios de infiltração, foram feitos ensaios com penetrômetro dinâmico do tipo “Panda”. Os poços de infiltração foram testados sob condição de saturação no dia anterior ao teste para simular dias contínuos com chuva onde o encharcamento do solo pode retardar o processo de infiltração da água (Carvalho, 2008). 5 Resultados dos ensaios realizados 5.1 Ensaios de Laboratório 5.1.1 Solos provenientes da UnB (Trincheiras) e da UFRR (Colchão Drenante) As Tabelas 1 e 2 reúnem os resultados de umidade natural, umidade higroscópica, peso específico dos sólidos, peso específico natural, índice de vazios e porosidade das amostras do perfil de solo estudado. Tabela 1 – Caracterização física dos solos – UnB. Amostra UnB (profundidade, m) 0,5 - 1,0 1,0 – 1,5 1,5 – 2,0 2,0 – 2,5 2,5 – 3,0 wn (%) wo (%) 18,76 21,48 20,76 22,18 25,19 2,05 1,24 1,27 1,41 7,08 (γs) (γN) (g/cm3) (g/cm3) 2,67 2,65 2,68 2,71 2,70 1,469 e n (%) 0,82 0,80 0,82 0,84 0,84 45 44 45 46 46 240 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 2 – Caracterização física dos solos – UFRR. Amostra wn wo (γs) (γN) UFRR (%) (%) (g/cm3) (g/cm3) UFRR 7,46 0,98 2,58 1,657 n (%) 36 e 0,56 A Tabela 3 apresenta os resultados de granulometria nas amostras com e sem defloculante. A comparação da textura das duas amostras é importante, pois coloca em evidência o fato de que efetivamente não se deve estimar ou avaliar a permeabilidade de um solo tropical apenas com base na sua textura obtida com o uso de defloculante. Numa comparação entre os solos de Brasília e Roraima, observa-se que a permeabilidade do solo da UFRR é ligeiramente superior à do solo da UnB, correspondendo às texturas obtidas para os dois materiais quando ensaiados sem o uso de defloculante. Na Tabela 4, são apresentados os resultados dos limites de Atterberg: limite de liquidez (wL), limite de plasticidade (wP) e o índice de plasticidade (IP) das amostras de solos estudadas. Esses resultados mostram que o solo da UFRR apresenta valores de limites de consistência inferiores ao solo da UnB em todas as profundidades. Tabela 3 – Análises granulométricas realizadas em amostras da UnB e UFRR. Propriedades UFRR 0,5 0 – 0,5 Granulometria s/d c/d s/d c/d ABNT (%) Argila 3,1 27,1 5,6 55,7 (<0,005 mm) Silte 7,7 6,2 10,5 15,1 (0,05 – 0,005 mm) Areia 89,2 66,7 83,5 29,2 (2,0 – 0,05 mm) Pedregulho 0 0 0,4 0 (>2,0 mm) Amostras UnB 0,5-1,0 1,0-1,5 s/d c/d s/d c/d 1,5-2,0 s/d c/d 2,0-2,5 s/d c/d 5,7 58,0 5,0 54,7 5,1 66,5 6,0 64,5 10,7 18,0 18,6 22.7 12,2 11,0 18,7 13,0 83,6 24,0 76,4 22,6 82,7 22,5 74,3 22,5 0 0 0 0 0 0 0 0 Tabela 4 – Limite de Liquidez, Limite de Plasticidade e Índice de Plasticidade das amostras de solos da UnB e UFRR. Amostras Propriedades UFRR UnB 0,5 0 – 0,5 0,5-1,0 1,0-1,5 1,5-2,0 2,0-2,5 Limite de Liquidez 16 38 35 39 38 – (wL) (%) Limite de Plasticidade 13 22 22 24 28 – (wP) (%) Índice de Plasticidade 3 16 13 15 10 – (IP) (%) 241 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os resultados dos ensaios e a classificação MCT dos solos da UnB e da UFRR encontram-se na Tabela 5. Quanto ao índice c’, que traduz a argilosidade do solo, todos os solos apresentaram valores considerados baixos (menor que 1,6), caracterizando, assim, solos texturalmente pouco argilosos. Como resultado da classificação, os solos variaram de argila laterítica a areia laterítica, sendo predominante a areia laterítica pouco argilosa. Desses resultados sobressai a relação da classificação MCT com a textura sem defloculante, ou seja, do solo no estado natural. Tabela 5 – Ensaios de classificação na forma expedita dos solos da UnB e UFRR. Amostras Propriedades c’ Penetração (mm)) Classificação MCT UFRR 0,5 0,80 LA-LA’ 0 - 0,5 1,56 LA’- LG’ UnB 1,0 1,8 0,10 0,06 LA LA 2,5 0,16 LA Os valores médios de permeabilidade de campo dos solos da UnB e da UFRR, obtidos de três determinações, estão apresentados na Tabela 6. Os resultados determinados a carga constante e a carga variável são semelhantes. Tabela 6 – Coeficientes de Permeabilidade de campo – UFRR e UnB (cm/s). Amostras UFRR UnB 0,5 0 - 0,5 1,0 1,8 2,5 Carga Constante 1,0 x 10-6 1,2 x 10-4 6,5 x 10-4 6,2 x 10-4 Carga Variável 2,6 x 10-4 1,0 x 10-6 1,2 x 10-4 6,4 x 10-4 6,1 x 10-4 Classificação MCT LA-LA’ LA’- LG’ LA LA LA Permeabilidade (cm/s) Guimarães (2002), ao estudar o perfil de solo do campo experimental da UnB, encontrou para as profundidades de 1 m, 2 m e 3 m ângulo de atrito médio igual a 27o, coesão do solo no estado natural variando entre 13 e 27 kPa e, no estado saturado, variando entre 0 e 6 kPa. Em ensaios de cisalhamento direto realizados sobre amostras no estado natural, é comum encontrar para esses solos, devido ao seu comportamento colapsível, valores de ângulo de atrito superiores aos apresentados (Camapum de Carvalho & Gitirana, 2005). O solo do campo experimental da UFRR apresentou, no estado natural, coesão igual a 151 kPa e ângulo de atrito igual a 42,5º. A Tabela 7 apresenta as características dos corposde-prova oriundos da UFRR submetidos aos ensaios de cisalhamento direto. 242 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 7 – Índices Físicos da amostra de solo da UFRR. Características iniciais dos corpos–de-prova Tensão Normal UFRR (KPa) γd n (%) e Sr (%) w (%) γn 50 7,28 17,20 16,04 36,7 0,58 32,50 100 7,28 17,65 16,46 36,70 0,58 32,12 200 7,28 18,51 17,26 31,97 0,47 38,08 Tensão Normal (KPa) 50 100 200 Características dos corpos-de-prova após consolidação w (%) 6,79 6,69 6,88 γn 17,46 18,24 19,59 γd 16,35 17,10 18,33 n (%) 35,48 32,45 27,54 e 0,55 0,48 0,38 Sr (%) 32,03 35,99 46,68 A Figura 17 apresenta o resultado do ensaio de cisalhamento utilizando as tensões normais de 50, 100 e 200 kPa e amostra na condição natural. A Figura 18 apresenta a envoltória de ruptura do solo do campo experimental da UFRR. Os parâmetros de resistência obtidos (coesão de 150,7 kPa e ângulo de atrito de 42,5o) apontam para um solo arenoso cimentado, correspondendo ao que foi observado pela análise granulométrica. Figura 17 – Resultados dos ensaios de cisalhamento direto para o solo da UFRR. Figura 18 – Envoltória de ruptura para o solo da UFRR. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 243 A realização dos ensaios oedométricos teve por objetivo principal analisar a colapsibilidade do solo por inundação. A Tabela 8 apresenta as características físicas das amostras indeformadas dos campos da UFRR e UnB. As Figuras 19 e 20 mostram as curvas de adensamento obtidas para as amostras no estado natural e inundado, para o solo da UFRR e UnB, respectivamente. Normalizando-se as curvas em relação a e0, foi possível observar que os resultados são muito similares, caracterizando-se por elevada colapsibilidade. Essa constatação mostra, por um lado, a necessidade de se limitarem as tensões atuantes na base das trincheiras ou colchões drenantes às tensões inicialmente atuantes no solo e, por outro, a necessidade de se avaliar o risco de ocorrência de colapso em obras que se submetam à influência da infiltração. Tabela 8 – Resultados dos ensaios oedométricos com e sem inundação. Índice de Vazios E inicial E final CP ADENSAMENTO UFRR UnB NAT INU NAT INU 0,49 0,39 1,42 1,12 0,46 0,26 1,21 0,41 20% 21% Figura 19 – Curvas de Compressibilidade do solo Natural e Inundado – Solo UFRR, Boa Vista. Figura 20 – Curvas de Compressibilidade do solo Natural e Inundado – Solo UnB, Brasília. Com relação aos ensaios para determinação da curva característica de retenção de água, as curvas obtidas (Figura 21) têm a forma atrelada ao tamanho e à distribuição dos poros, ou seja, ao arranjo estrutural e à natureza mineralógica e superfície específica das partículas que compõem o solo. De acordo com Camapum de Carvalho & Leroueil (2000), em se tratando de solos tropicais, o intemperismo e a acidez são responsáveis pela agregação de partículas cimentadas ou não por óxidos e/ou hidróxidos de alumínio e/ou ferro. Essas agregações, por sua vez, se ligam a outras, seja por esses cimentos ou por pontes de argila (Paixão & Camapum de Carvalho, 1994) dando origem à distribuição bimodal de poros. 244 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Para a comparação entre as curvas características dos solos provenientes da UnB e da UFRR, utilizaram-se apenas os resultados obtidos para a profundidade de 0,50 m, pois, para este último local, apenas essa profundidade foi estudada. Analisando-se a Figura 21, observa-se que as curvas características dos dois solos guardam certa semelhança, ambas apresentando forma oriunda de estruturas com distribuição de poros bimodal. Os menores valores de umidade obtidos para iguais valores de sucção no solo UFRR refletem a textura e a natureza mineralógica mais quartzosa desse solo. A menor pressão de entrada de ar dos macroporos desse solo, além de estar ligada a diferenças nas próprias mineralogias e superfícies específicas entre os dois solos, aponta para maiores diâmetros de poros no solo da UFRR, apesar de sua menor porosidade média. Já no domínio dos microporos, observa-se que os seus valores de entrada de ar são semelhantes, situando-se em torno de 8.000 kPa, apontando para diâmetros de microporos semelhantes nos dois solos. O trecho entre os macro e os microporos mostra-se menos íngreme na curva característica obtida para o solo da UnB, o que aponta para uma distribuição de poros melhor graduada para esse solo nesse intervalo de poros. Tais diferenças de distribuição de poros realçadas pelas curvas características terminam influenciando na infiltrabilidade do maciço, bem como na própria influência dessa infiltração no comportamento hidráulico e mecânico do solo. Figura 21 – Curvas umidade versus sucção, de Boa Vista e de Brasília. A Figura 22 apresenta os resultados das vazões determinadas no ensaio de pinhole test para os dois solos em amostras coletadas a 0,50 m de profundidade. Comparando-se o solo da UnB com o da UFRR, observa-se que o solo oriundo de Brasília, apesar de ser argiloso, apresenta maiores vazões que o solo oriundo de Boa Vista. Isso se deve ao maior volume de macroporos presentes no solo da UnB, apesar do maior diâmetro dos macroporos do solo proveniente da UFRR. É importante ainda destacar a maior diferença entre as curvas de carga e descarga que caracteriza o solo da UnB, o que aponta para o seu maior potencial de esqueletização. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 245 Figura 22 – Ensaio de Pinhole test de Boa Vista e de Brasília. 5.1.2. Solo proveniente de Goiânia (Poços de Infiltração) Na pesquisa realizada no campo experimental da cidade de Goiânia, o solo apresenta as curvas granulométricas de acordo com a Figura 23. O solo foi granulometricamente estudado nas profundidades de 0,5 m, 1,0 m, 1,5 m e 2,0 m por meio de ensaios de peneiramento e sedimentação com e sem o uso de defloculante. Os resultados mostram tratar-se de um silte argiloso que apresenta estruturação ao ser ensaiado por sedimentação sem o uso de defloculante. No entanto, ao ser ensaiado com o uso de defloculante, o solo se desestrutura, e todas as curvas granulométricas praticamente se agrupam em uma única curva, para o solo analisado sem o uso de defloculante o nível de estruturação do solo tende a diminuir com o aumento de profundidade no perfil. Figura 23 – Resultado dos ensaios de granulometria (Carvalho, 2008). 246 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A Tabela 9 apresenta as variações de granulometria, os Limites de Atterbeg, os pesos específicos dos grãos, a densidade seca e a densidade úmida obtidos pelo frasco de areia. Tabela 9 – Resultados dos ensaios de caracterização física do solo no estado natural, a variação dos limites de consistência densidade dos grãos e as densidades seca natural do perfil de solo. Prof. Argila Silte Areia WP (m) (%) (%) (%) (%) 0,5 1,0 1,5 2,0 0,0 0,0 0,0 0,0 19,0 81,0 39,0 61,0 36,0 64,0 47,0 53,0 25 24 23 26 WL (%) IP (%) 36 34 34 38 11 10 11 12 Frasco de Areia Gs Densidade Densidade kN/ úmida seca m3 kN/m3 kN/m3 27,08 26,69 15,40 12,90 27,92 26,64 17,26 14,20 Ensaio de granulometria realizado sem o uso de delfoculante. A Figura 24 apresenta os perfis de umidade do solo nas etapas de retirada de amostras deformadas e indeformadas e de realização dos ensaios de infiltração. Nota-se que a umidade sofreu uma razoável alteração entre a data de retirada de amostras e a etapa de ensaios. Embora regionalmente o mês de setembro corresponda a período de seca e o mês de janeiro a período de chuva, o perfil de solo apresentou-se mais úmido em setembro de 2008 do que em janeiro de 2009. Tal comportamento se deve ao fato de que, por tratar-se de solo superficial, pequenos intervalos de chuva ou de seca são susceptíveis de afetarem a umidade do solo. Esse fato sugere, no entanto, a necessidade de se avaliarem as condições de umidade do solo em todas as etapas testadas, já que a umidade do perfil não depende apenas da estação do ano, mas também de eventos chuvosos que nelas ocorre. O lençol freático registrado se manteve constante nas duas etapas a 12,0 m de profundidade. Para avaliar a condutividade do perfil de solo, curvas característica de molhagem foram determinadas para as profundidades de 1,0 m, 2,0 m e 3,0 m. Como já mencionado, o ensaio foi realizado com as curvas de molhagem, tendo em vista que o processo de infiltração ocorre mediante a imposição de fluxo forçado com infiltração de água no solo. Esses ensaios mostram que a condutividade hidráulica em solos não saturados é afetada pelo grau de saturação, pelo teor de umidade e pelos vazios do solo. Os vazios do solo estão relacionados com a granulometria e com a estruturação do solo. Em um solo não saturado, à medida que ele vai ressecando, o ar substitui progressivamente a água dos poros. Durante esse processo de perda de umidade, pode ocorrer a redução dos vazios e a descontinuidade do fluxo, podendo formar-se ar ocluso entre a massa de solo e a água. Esses fenômenos retardam o processo da condutividade hidráulica e, consequentemente, há perda da capacidade de infiltração. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 247 Figura 24 – Perfis de umidade do solo (Carvalho, 2008). A Figura 25 mostra os resultados das curvas características por molhagem para obter a variação da sucção total e matricial do solo para a profundidade de 2,0 m. Nessa figura, é possível verificar facilmente que, à medida que a umidade diminui, aumenta a sucção do solo. A área total disponível para o fluxo da água decresce com a diminuição da quantidade de poros saturados por água, e o ar passa a ocupar o lugar da água, dificultando sua percolação como líquido. A partir daí, o processo de percolação da água torna-se possível na forma de vapor. Figura 25 – Curva característica de sucção total e matricial (Carvalho, 2008). 248 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Para determinar a colapsividade do solo, foram realizados ensaios oedométricos com o solo no seu estado natural e sob inundação, ensaio duplo oedométrico. A profundidade escolhida para o estudo foi a de 3,0 m de profundidade, por coincidir com a profundidade de assentamento das fundações das unidades habitacionais nas proximidades. Os ensaios realizados indicaram que o solo não apresentou nenhum nível de colapsividade para as tensões testadas e que são compatíveis com aquelas usadas nas edificações do empreendimento (Figura 26). Destaca-se que a ausência de colapso por inundação, apesar do elevado índice de vazios inicial do solo (1,77), não tem o condão de caracterizá-lo como não colapsível. Fazem-se necessárias análises complementares de modo a se levarem em conta o grau de saturação inicial e a presença ou não de macroporos nesse solo. Figura 26 – Ensaio duplo oedométrico para avaliação do potencial de colapso do solo coletado a 3 m de profundidade (Carvalho, 2008). 5.2 Ensaios de Campo 5.2.1 Solos provenientes da UnB (Trincheiras) e da UFRR (Colchão Drenante) Na UFRR, foram realizados dois ensaios de infiltração, um com o furo limitado a 0,50 m e o outro a 0,80 m de profundidade (Tabela 10). Na UnB, foram 249 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB realizados ensaios nas profundidades de 0,50 m a 3.0 m (Tabela 11). Analisandose os dados obtidos nos ensaios de infiltração e mostrados nas tabelas, verificase que os coeficientes de permeabilidade no campus da UFRR tenderam a ser inferiores aos obtidos para a área de teste da UnB. Tabela 10 – Taxa de Infiltração e Permeabilidade no campo da UFRR Profundidade (m) 0,5 Taxa de Infiltração (m/s) 3,24 x 10-6 Permeabilidade de Campo (m/s) 3,2 x 10-6 0,8 12,49 x 10-6 1,2 x 10-5 Tabela 11 – Taxa de Infiltração e Permeabilidade no campo da UnB, (Silva 2007) Profundidade (m) 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Taxa de Infiltração (m/s) 4,72 x 10-7 1,79 x 10-6 6,50 x 10-6 3,50 x 10-6 1,85 x 10-6 1,77 x 10-6 1,16 x 10-6 Permeabilidade de Campo (m/s) 4,72 x 10-5 1,79 x 10-4 6,50 x 10-4 3,50 x 10-4 1,85 x 10-4 1,77 x 10-4 1,17 x 10-4 Quanto ao ensaio Panda, no campus da UnB foram realizados dois ensaios, um com o solo em condição natural e outro com o solo submetido à saturação por infiltração em um furo de sondagem próximo (Silva, 2007). Como esperado, verifica-se dos resultados obtidos uma maior resistência para o solo não saturado (Tabela 12). Tal comportamento pode ser atribuído à eliminação da sucção e/ou à maior quebra das ligações cimentícias no solo saturado. Em alguns pontos, observam-se picos de maior resistência (Tabela 12). Esses picos geralmente se devem à presença de pedregulho no solo. A Figura 27 caracteriza, por meio desses picos, a presença de uma camada de cascalho localizada entre 0,1 e 0,6 m na área 3. Portanto, a camada de cascalho apresenta espessura aproximada de 0,5 m. No campus da UFRR, foram realizados cinco ensaios panda com o solo na condição de umidade natural – dois utilizando a ponta de 2 mm (Figura 28), e três utilizando a ponta de 4mm de diâmetro (Figura 29). As resistências apresentadas nos ensaios realizados com a ponta de menor diâmetro, devido ao possível atrito lateral do solo com a haste de cravação, foram menores que as obtidas para os ensaios realizados usando-se as pontas de 4 mm. Observa-se, também para esse perfil de solo, a presença de picos de resistência principalmente até 0,40 m da superfície, que se caracteriza como região compactada e com presença de pedriscos. 250 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Comparando-se os resultados obtidos para a condição natural nas duas localidades, verifica-se que, excetuando-se as camadas de material mais granular, os resultados são próximos (Tabela 12). Tabela 12 – Resultados de resistência à penetração – penetrômetro dinâmico PANDA. PROFUNDIDADES (m) 0 RESISTÊNCIA (MPa) UFRR UnB NAT SAT NAT SAT 0,65 a 1,93 0,7 0,6 0 a 0,50 0,15 a 27,64 - 0,7 a 16,6 0,50 a 1,00 0,43 a 3,69 - 1,2 a 11,2 0,3 a 3,6 1,00 a 1,50 0,12 a 0,89 - 0,7 a 1,2 0,2 a 0,6 1,50 a 2,00 0,26 a 0,92 - 0,3 a 1,0 0,2 a 1,4 2,00 a 2,50 0,12 a 0,61 - 0,2 a 0,8 0,2 a 1,6 2,50 a 3,00 0,28 a 0,56 - 0,3 a 1,3 0,3 a 1,0 3,00 a 3,50 - - 0,1 a 1,8 0,3 a 1,1 3,50 a 4,00 - - 0,4 a 1,7 0,1 a 0,7 4,00 a 4,50 - - 0,2 a 3,3 - 4,50 a 5,00 - - 0,2 a 4,6 - Figura 27 – Resistências obtidas para o perfil de solo da UnB. 0,6 a 3,4 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 251 Figura 28 – Resistências obtidas do solo, utilizando a ponta de 2 mm (UFRR – Jan/2008). Figura 29 – Resistências obtidas do solo, utilizando a ponta de 4 mm (UFRR – Jan/2008). 252 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 5.2.2 Solo proveniente de Goiânia (Poços de Infiltração) A Figura 30 apresenta os resultados dos ensaios dos poços no teste de inundação e no dia do teste propriamente dito, resultando em uma capacidade de infiltrar menor após inundação para ambos os poços. Isso pode ser atribuído à menor sucção e, por consequência, ao menor gradiente hidráulico quando do encharcamento do solo depois de dias sucessivos de chuva, ocasionando maior dificuldade de infiltrar a água de chuva. A taxa de infiltração média, para o poço de grande diâmetro, foi de 1,00 x 10-5m3/m2.s (valor expresso na linha pontilhada na cor cinza) e, para o poço a trado, foi de 2,10x10-5m3/m2.s (valor expresso na linha pontilhada na cor alaranjada). O poço de grande diâmetro tem uma capacidade de infiltrar 2,1 vezes menor do que o poço a trado. Essa diferença se justifica pelo fato de que a relação entre volume de água a infiltrar em relação à área disponível para infiltrar é maior para o poço a trado do que para o poço de grande diâmetro (Figura 29). O perfil de solo estudado apresenta potencial capacidade de infiltração, indicando que um estudo mais detalhado poderá garantir sistemas de infiltração bastante satisfatórios. Além do mais, o lençol freático da região é profundo mesmo em tempo chuvoso, o que garante boas condições de infiltração. Figura 30 – Ensaio de infiltração em função da profundidade para os poços de pequeno e grande diâmetro (Carvalho, 2008). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 253 Referências Bibliográficas ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas, (1984). NBR 6508/1984 – Grãos de solos que passam na peneira de 4,8 mm – Determinação da massa específica, Rio de Janeiro, RJ. 8 p . ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984). NBR 7181/1984 – Solo – Análise Granulométrica. Rio de Janeiro, RJ. 13 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1984). NBR 6459/1984 – Determinação do Limite de Liquidez. Rio de Janeiro, RJ. 6 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986). NBR 7180/1986 – Determinação do Limite de Plasticidade. Rio de Janeiro, RJ. 3 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986). NBR 6457/1986 – Amostras de solo – Preparação para ensaios de compactação e ensaios de caracterização (método de ensaio). Rio de Janeiro, RJ. 8 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1986). NBR 9604/1986. Solo – Abertura de poço e trincheira de inspeção em solo, com retirada de amostras deformadas e indeformadas. Rio de Janeiro, RJ. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1988). NBR 10838/1988. Solo – Determinação da massa específica aparente de amostras indeformadas (método da balança hidrostática). Rio de Janeiro, RJ. 4 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1990). NBR 12007/1990. Ensaio de adensamento unidimensional. Rio de Janeiro, RJ. 13 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas (1998). NBR 14114/1998. Solo – Solos argilosos dispersivos – Identificação e Classificação por meio do ensaio do furo e agulha (pinhole test). Rio de Janeiro, RJ. 8 p. ABGE – Associação Brasileira de Geologia de Engenharia – Ensaios de Permeabilidade em Solos – Orientações para sua execução. Coordenação Antonio Manuel dos Santos Oliveira e Diogo Correa Filho – Associação Brasileira de Geologia de Engenharia, São Paulo, SP – Boletim 04, (3 ed. revisada). Azzout, Y.; Barraud, S; Cres, F. N; Alfakih, E. (1994). Techniques alternatives en assainissement pluvial: choix, conception, réalisation et entretien et entretien. Paris: Lavoisier. 372p. Baptista, M. B.; Nascimento, N. O.; Barraud, S. (2005). Técnicas Compensatórias em Drenagem Urbana. ABRH – Associação Brasileira de Recursos Hídricos. Porto Alegre – RS. 254 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Bettess, R. (1996). Infiltration drainage: manual of good practice: Longon: CIRIA. 107p. (Construction Industry Research and Information Association. Report 156). Camapum de Carvalho, J.; Guimarães, R. C.; Pereira, J. H. F. (2002). Courbes Caracteristiques d’un profil d’alteration. Third International Conference on Unsaturated Soils, ABMS/ISSMGE, Recife, PE. Camapum de Carvalho, J.; Leroueil, S. (2000). Modelo de normalização de curvas características. In: REUNIÃO ANUAL DE PAVIMENTAÇÃO – ABPv, 32, Brasília, DF, Anais 1, p. 96-106. Carvalho, E. T. L. 2008. Avaliação de elementos de infiltração de água pluviais na zona norte da cidade de Goiânia. Dissertação Mestrado em Geotecnia, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia e Construção Civil, Universidade Federal de Goiás, Goiânia, GO. 222 p. Cardoso, F.B.F. (2002). 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Capítulo 12 Mecânica dos solos não saturados – modelos numéricos e constitutivos Manoel Porfírio Cordão Neto Marcio Muniz de Farias 1 HISTÓRICO Este capítulo apresenta um breve histórico da linha de pesquisa relativa à modelagem numérica e constitutiva de solos não saturados. Diversos trabalhos foram desenvolvidos no Programa de Pós-graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília (PPG-UnB). Devido à natureza do solo da região Central-Oeste do País, isso se torna quase obrigatório quando da análise do comportamento de obras geotécnicas nessa região. Entretanto, neste capítulo, somente serão abordados os trabalhos que tiveram como foco principal a modelagem numérica e/ou constitutiva de solos não saturados. A referência a “numérica e/ou constitutiva” se faz necessária, uma vez que alguns trabalhos tiveram como objetivo somente a modelagem constitutiva, enquanto outros focaram mais especificamente na modelagem numérica. Essa linha de pesquisa foi introduzida pelos professores José Henrique Feitosa Pereira e Márcio Muniz de Farias. Atualmente, o Professor Manoel Porfírio Cordão Neto passou a integrar o grupo e, também, fazer pesquisas nesta área. Um dos trabalhos pioneiros na área foi a tese de doutoramento do Professor José Henrique Feitosa Pereira (Pereira, 1996), desenvolvida no Canadá, o qual realizou análise do comportamento mecânico de barragens de terra que sofriam ruptura durante o primeiro enchimento. Essas barragens são denominadas de barragens sorrizal. No seu trabalho, o autor realizou ensaios de caracterização mecânica e hidráulica com amostras compactadas de um solo residual, sendo as condições de compactação inferiores a condições ótimas. Além disso, o autor desenvolveu um programa de elementos finitos que permitia a solução acoplada das equações de fluxo e equilíbrio para condições de deformação plana (COUPSO). O autor utilizou os dados obtidos no programa de ensaio experimental para formular e calibrar modelos constitutivos. Em seguida, implementou os modelos constitutivos no programa de elementos finitos e os utilizou na análise do comportamento das barragens sorrizal. O autor obteve sucesso parcial no entendimento do problema de ruptura dessas barragens. Por outro lado, devido 258 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ao pioneirismo de seu trabalho, abriu caminho para que diversas outras teses de doutorado e dissertações de mestrado viessem a ser desenvolvidas. Quando da sua volta ao PPG-UnB, Professor José Henrique começou então a desenvolver pesquisa na área. De início, orientou as dissertações de mestrado de Oliveira (1998) e Peixoto (1999), cujo foco era a caracterização mecânica e hidráulica do solo do Plano Piloto da Cidade de Brasília-DF Nesses trabalhos, foram realizados ensaios de adensamento com controle de sucção, sendo possível ainda o controle das tensões horizontais. Outros ensaios foram realizados, como, por exemplo, ensaios para determinação da curva característica. O trabalho de Peixoto merece especial destaque, pois gerou uma base de dados que foi utilizada em diversas outras pesquisas, como, por exemplo, por Gitirana Jr. (1999). Numa outra frente de trabalho, o Professor José Henrique começou a orientar trabalhos que visavam melhorar a capacidade do programa de elementos finitos COUPSO. Inicialmente, Gitirana Jr. (1999) melhorou a relação constitutiva proposta por Pereira (1996) e conseguiu, inclusive, reproduzir com fidelidade os resultados que haviam sido obtidos por Peixoto (1999). Cabe ressaltar que o solo estudado possuía um comportamento anisotrópico. Em seguida, Cordão Neto (2001) implementou, no Programa COUPSO, o modelo elastoplástico para solos não saturados proposto por Alonso et al. (1990) e refez as análises de Pereira (1996). Num próximo passo, Brito (2003), utilizando a versão desenvolvida por Pereira (1996) do programa COUPSO e um algoritmo automático de busca de superfícies de deslizamento, proposto por Baker (1980), refez as análises realizadas anteriormente por Pereira (1996) e Cordão Neto (2001). Tanto Brito (2003) como Cordão Neto (2001) obtiveram sucesso parcial no entendimento do comportamento das barragens sorrizal. Porém, nem esses autores nem Pereira (1996) obtiveram sucesso no processo de previsão da formação e evolução da superfície de ruptura. Com a morte do Professor José Henrique, o Professor Marcio Muniz de Farias passou a orientar alunos na linha de pesquisa de mecânica dos solos não saturados. O Professor Marcio já tinha uma larga experiência na área de modelagem numérica e constitutiva, especialmente na área de solos saturados, tendo havido, inclusive, desenvolvido um programa de elementos finitos (ALLFINE – Farias, 1993) que dispunha de diversas facilidades não encontradas em outros programas, como, por exemplo, o programa COUPSO, que havia sido desenvolvido por Pereira (1996). Dentre as diversas facilidades disponíveis no programa ALLFINE, destacam-se: análise tridimensional de tensão e deformação, diversos modelos constitutivos, diversos tipos de elementos e análise acoplada do problema de consolidação para solos saturados. Um dos primeiros trabalhos do professor Marcio foi o desenvolvimento de um novo modelo constitutivo para solos não saturados, o tij-unsat. Esse modelo se baseava em dois outros modelos já existentes, o Modelo Básico de Barcelona (Alonso et al., 1990) e tij-clay (Nakai & Matsuoka, 1986). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 259 Outro trabalho orientado pelo Professor Marcio foi a tese de doutorado de Cordão Neto (2005), que implementou as equações e os modelos constitutivos necessários para que o programa ALLFINE analisasse problemas na condição não saturada. Além disso, foram implementadas diversas condições de contorno que permitem simular chuvas, construção e enchimentos de barragens, dentre outras condições de contorno. Utilizando essa versão do programa ALLFINE e uma metodologia de análise desenvolvido durante o seu doutoramento, Cordão Neto (2005) obteve sucesso no entendimento e na identificação da formação do mecanismo de ruptura que ocorre nas barragens sorrizal durante o primeiro enchimento do reservatório. Mais recentemente, o Professor Manoel Porfírio Cordão Neto orientou um trabalho em que o programa ALLFINE foi utilizado para reproduzir os resultados de instrumentação de uma barragem de enrocamento com núcleo de argila – UHE de Emborcação (Oliveira, 2007). Além disso, o Professor co-orientou uma tese de doutorado com o Professor Pedro Murrieta, na qual o comportamento mecânico é entendido a partir da macro e microestrutura do solo. Nessa tese, são evidentes as potencialidades de desenvolver modelos baseados da distribuição de poros e no equilíbrio entre as fases, diferente do que ocorria até então, quando somente o equilíbrio entre as fases era considerado. Finalmente, é possível citar outros trabalhos que abordaram o tema de modelagem numérica e constitutiva de solos não saturados, tais como os de Pedroso (2006) e Dario (2007). Como conclusão desse breve resumo histórico, tem-se o êxito alcançado nesses últimos 20 anos pelo PPG-UnB, habilitando-o com uma referência em modelagem numérica e constitutiva de solos não saturados no país. Na sequência deste capítulo, é apresentado um resumo geral da formulação do programa ALLFINE, bem como os modelos existentes nesse programa relacionados à mecânica dos solos não saturados. Por fim, dois exemplos de aplicações que demonstram a potencialidade da ferramenta são apresentados. 2 MOTIVAÇÃO DA LINHA DE PESQUISA Dentro da Engenharia Geotécnica, o Método do Equilíbrio Limite (MEL) tem se mostrado com uma ferramenta consistente para o cálculo do fator de segurança. A partir da análise dos esforços atuantes numa fatia, obtém-se um sistema de equações de 5n-2 incógnitas e apenas 3n equações, onde n é o número de fatias analisadas. Por se tratar de um sistema hiperestático, é necessário que algumas considerações sejam assumidas, possibilitando, assim, a solução do sistema de equações. Diversos autores apresentaram diferentes hipóteses, das quais se originaram diferentes métodos. Dentre os métodos, destaca-se o método de MorgenstensPrice, que apresenta uma solução rigorosa. Outro trabalho que merece destaque 260 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB é apresentado por Fredlund & Rahardjo (1993), que apresentam uma proposta denominada de GLE (Equilíbrio Limite Generalizado) e demonstram a origem comum de todos os métodos. Apesar do evidente sucesso da utilização de métodos como MorgenstensPrice na análise de estabilidade de taludes, algumas das hipóteses para solução do problema podem ser questionadas e melhoradas, como, por exemplo, a obtenção dos campos de tensões e poro-pressões. De um modo geral, as poro-pressões são calculadas pela determinação da rede de fluxos. Diversos softwares, comerciais ou acadêmicos, podem ser utilizados para determinação das redes de fluxos, como, por exemplo, o SEEP/W (Geo-Slople, 1995). Entretanto, para problemas, como a fase de construção de um aterro, as poro-pressões não podem ser determinadas por meio de uma rede de fluxo. Para tais problemas faz-se necessária a utilização de outras ferramentas, tais como coeficientes de origem empírica – parâmetro ru. Além disso, em muitos casos, o problema se caracteriza como transiente, ou seja, as poro-pressões não são constantes com o tempo. Consequentemente, sendo a poro-pressão determinante para o cálculo do fator de segurança, as mudanças nos valores das poro-pressões afetaram o cálculo do fator de segurança. Assim, para problemas transientes, deve-se considerar a variação do fator de segurança com o tempo. Outra hipótese que pode ser questionada é a consideração de um modelo rígido-perfeitamente-plástico, porque esse modelo não representa de forma adequada o comportamento do solo, o que pode prejudicar a avaliação do cálculo do fator de segurança. Outros modelos podem ser utilizados realizando análises do tipo tensãodeformação por meio do método dos elementos finitos (MEF). Naylor & Mattar (1998) e Farias (1993) apresentaram o Método do Equilíbrio Limite Aperfeiçoado, no qual o cálculo do fator de segurança utiliza o campo de tensões vindo de uma análise por elementos finitos. Porém, as considerações anteriormente citadas não são suficientes para análises rigorosas, porque o solo é constituído por diferentes fases – sólida, líquida e gasosa – , as quais interagem entre si. Assim, é necessário considerar essa interação entre o comportamento mecânico (fase sólida) e hidráulico (fase fluida). Isso é possível por meio de análises hidromecânicas acopladas. Dessa forma, este trabalho apresenta resultados que demonstram como o valor do fator de segurança é fortemente influenciado pela forma como as tensões e as poro-pressões são calculadas. Inicialmente, é apresentada uma metodologia de análises que considera as tensões e deformações advindas de uma análise hidromecânica. Segue-se com uma apresentação da formulação do problema e das relações constitutivas utilizadas. São apresentadas ainda algumas considerações sobre condições de contorno especiais ou transientes para tratar problemas como a consideração de drenos em barragens e de ocorrência de precipitação em taludes naturais. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 261 Por fim, os resultados das análises de dois problemas são apresentados, confirmando a influência no cálculo do fator de segurança da forma como os campos de poro-pressões e de tensões são calculados. Além disso, os resultados demonstram que a utilização de métodos aperfeiçoados para o cálculo do fator de segurança pode levar à otimização dos projetos. 3 METODOLOGIA DE ANÁLISE Um dos objetivos deste trabalho é descrever a metodologia necessária para a consideração dos campos de tensões e poro-pressões advindos de análises hidromecânica acoplada no cálculo do fator de segurança. A metodologia apresentada pode ser aplicada a qualquer problema geotécnico. A Figura 1 apresenta um resumo dessa metodologia. Observa-se a existência de duas etapas distintas, sendo a primeira etapa relacionada à análise do problema de consolidação e a outra ao cálculo do fator de segurança propriamente dito. Na etapa relacionada à análise do problema de consolidação, é utilizado o método dos elementos finitos (MEF) por meio do programa ALLFINE (Farias, 1993; Cordão Neto, 2005). Esse programa permite a solução acoplada das equações de equilíbrio e de continuidade da fase água em meios não saturados. Na Figura 1, são apresentadas as entradas (INPUT) necessárias para o programa, bem como as saídas produzidas (OUTPUT) que serão utilizadas na etapa seguinte (cálculo do fator de segurança). Para a segunda etapa, é utilizado o método do equilíbrio limite (MEL) por meio do programa SLOPE/W (Geo-slope, 1995). Da mesma forma que para a fase anterior, são apresentadas as entradas (INPUT) e as saídas (OUTPUT). Neste trabalho, o método do equilíbrio limite aperfeiçoado faz uso das tensões e das poropressões advindas da análise numérica, conforme apresentado na Figura 1. Figura 1 – Metodologia de cálculo do fator de segurança. 262 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4 FORMULAÇÃO BÁSICA Neste item, serão apresentadas as equações básicas que regem o problema, seguindo-se da descrição das relações constitutivas necessárias à solução do problema. Será apresentado ainda um resumo da solução numérica do sistema de equações. 5 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA Uma análise rigorosa do problema de consolidação em meios não saturados requer o conhecimento das três equações que descrevem o problema. Cada uma das equações descreve fenomenologicamente o comportamento de uma das fases do solo. A primeira está relacionada ao equilíbrio estático do esqueleto sólido – Equação . As outras duas estão relacionadas à continuidade das fases água e ar – Equações (2) e (3). Dessa forma, um problema de consolidação em meios porosos não saturados sem reações químicas e variações consideráveis de temperatura (isotérmico) pode ser representado pelas equações: σij,i + bi = 0 (1) (θ),t + vi,i = 0 (2) (ρa n (1 – S + Hc S)),t + Ji,j = 0 (3) sendo σij o tensor de tensões totais, bi as forças de corpo na direção i, θ = nS a quantidade de água contida nos vazios do solo, n a porosidade, S o grau de saturação, vi a componente na direção i do vetor de velocidade da água. Na Equação são apresentados ρa, a densidade do ar, Hc o coeficiente de solubilidade do ar na água e Ji a massa de ar por unidade de área na direção i. Mais detalhes serão omitidos, já que diversos outros trabalhos esgotam o assunto, tais como Pereira (1996), Lloret & Ledesma (1993), Li et al. (1999), Cordão Neto (2005), Cordão Neto & Farias (2006), dentre outros. Neste trabalho, não será considerada a fase ar. Assume-se que o problema seja isotérmico e que o ar existente nos vazios do solo está livre, ou seja, submetido à pressão constante e igual à pressão atmosférica. 6 EQUAÇÕES CONSTITUTIVAS O problema de consolidação em meios porosos não saturados é regido pelas Equações e , que têm como variáveis campo de tensões, volume de água armazenado e velocidade da água, uma vez que a poro-pressão no ar é desconsiderada. Entretanto, a solução desse sistema de equações será expressa em termos de 263 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB campo de deslocamentos e de poro-pressão da fase água. Desta forma, é necessária a definição de relações entre as variáveis originais das Equações (1) e (2) com as utilizadas na solução. A Tabela 1 apresenta um resumo de todas as equações e incógnitas do problema. Observa-se que a completa definição do problema requer 21 variáveis e equações. Na Tabela 1, as linhas 1 e 2 reapresentam as equações básicas do problema já apresentadas anteriormente. Na linha 3, é apresentada a equação de compatibilidade deslocamento-deformação. Da mesma forma, na linha 6 é apresentada a equação que relaciona poro-pressão na água e carga hidráulica. Finalmente, nas linhas 4, 5 e 7 são apresentadas as equações que relacionam tensão-deformação-sucção, a lei de Darcy e a relação entre o incremento no volume de água armazenada-deformação-sucção. Para essas três últimas equações são necessárias definições de relações constitutivas. Neste trabalho, foram utilizadas as relações constitutivas apresentadas na Tabela 2, as quais serão descritas de forma resumida nos próximos itens. 7 RELAÇÃO CONSTITUTIVA TENSÃO-DEFORMAÇÃO-SUCÇÃO Para solos saturados, o comportamento mecânico pode ser definido por uma relação entre as tensões efetivas e as deformações. Por outro lado, quando os solos não saturados são o domínio de estudo, é necessária a definição de uma relação entre tensão, deformação e sucção. Uma expressão geral para a relação tensão-deformação-sucção pode ser vista na seguinte equação: d (σi – mi pa) = Dij dεj – hid (pa – pw) (4) onde d (σi – mi pa) é o incremento no vetor de tensões líquida, Dij é a matriz constitutiva tensão-deformação, dεj é o incremento no vetor de deformações, hi é o vetor constitutivo tensão-poropressão, e d (ua – uw) é o incremento na sucção, ou poropressão, considerando ua constante. Tabela 1 – Resumo das equações e incógnitas do problema. Equação N Eq ∑N Eq Unknows NUnk ∑N Unk 1 σ ij ,i + bi = 0 3 3 6 (σ ij ) 6 6 2 (θ ),t + vi ,i = 0 1 4 3 ( vi ) , θ 4 10 6 16 3ui 3 20 3 d ε ij = 1 ( ui, j + u j ,i ) 2 264 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ( ) ( 4 d σ i − mi p = Dij d ε j − hi d p − p a a w 5 vi = kij h, j 6 h= pw γw − ai xi 7 dθ = β1 d ε kk + β 2 w w (p a − pw ) ) 6 10 6 (ε kl ) , p w 7 17 3 19 h 1 21 1 20 - - 21 1 21 - - 21 Tabela 2 – Relações constitutivas. Variável dependente Variável independente Relação utilizada Vetor de tensões σi – mi pa εi : vetor de deformações p – p : sucção matrica Modelo de Barcelona Alonso et al. (1990) Teor volumétrico de água – θ εi : vetor de deformações Cordão Neto (2005) Permeabilidade Kij εi : vetor de deformações Cordão Neto (2005) a w pa – pw : sucção matrica pa – pw : sucção matrica A primeira parcela da Equação representa como as mudanças no arranjo das partículas, ou seja, as deformações do esqueleto sólido se refletem numa variação do campo de tensões líquidas. Portanto, os elementos da matriz Dij representam módulos de rigidez em termos de tensões líquidas, similarmente ao que acontece em modelos para solos saturados. Já o segundo termo da Equação representa o efeito da variação de sucção nas forças internas. O vetor hi representa como a película contráctil (Fredlund & Morgenstern, 1977) age para transmitir esses esforços. Portanto, é necessária a obtenção da matriz tensão-deformação, Dij, e do vetor tensão-poropressão, hi. Estes são obtidos a partir de um modelo constitutivo. Neste trabalho, é considerado o modelo elasto-plástico para solos não saturados proposto por Alonso et al. (1990), denominado de Modelo de Básico de Barcelona (BBM). As equações das superfícies de plastificação são definidas no espaço de tensão p – q – s pelas seguintes equações: f1 (p, q, s, p0*) = q2 – M2 (p0 – p) (p + ps) = 0 f2 (s, s0) = s – s0 = 0 (5) (6) Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 265 onde q é a tensão desvio, M é a inclinação da linha de estados críticos, p0 é a tensão de plastificação no eixo hidrostático para plano de sucção s, p0 é a tensão hidrostática, e ps é o acréscimo no efeito coesivo devido à sucção s. Por fim, s0 representa a sucção a partir da qual ocorrem deformações plásticas para trajetórias de secagem. Esse valor representa a máxima sucção a que o solo já foi submetido. A Equação representa a superfície de plastificação para trajetórias de carregamento, molhagem ou a combinação destas, LC. Já a Equação representa a superfície de plastificação para trajetórias exclusivamente de secagem, SI. Dois são os efeitos da não saturação do solo sobre a superfície LC. O primeiro é o aumento da tensão de plastificação, dado pela expressão: (7) onde pc é a tensão de referência, p*0 é a tensão de plastificação hidrostático para condição saturada, κ é o coeficiente de compressibilidade da região de recarregamento isotrópico, λ (0) é o coeficiente de compressibilidade do trecho virgem para condição saturada, e λ (s) é o coeficiente de compressibilidade do trecho virgem para um valor s de sucção. O segundo efeito da sucção ocorre pelo aumento do efeito coesivo, expresso por p s = kc s (8) onde kc é taxa do aumento coesivo. Diversas propostas de funções para λ (s) são sugeridas na literatura. Neste trabalho, é utilizada a proposta de Alonso et al. (1990), dada pela Equação λ (s) = λ (0) ((1 – r)exp(– βs) + r (9) sendo r e β parâmetros de ajuste de curva obtidos a partir de resultados experimentais. Além da superfície de plastificação, é necessária a definição de uma superfície potencial plástica que define a direção do vetor de deformações plásticas. Alonso et al. (1990) propõem: g1 (p, q, s, p0*) = αq2 – M2 (p0 – p)(p + ps) = 0 (10) g2 (p, q, s, s0) = s – s0 (11) A Equação difere da Equação pelo parâmetro α multiplicando a tensão desvio, q. Alonso et al. (1990) apresentam este parâmetro como uma forma de ajustar o modelo para trajetórias de carregamento K0. 266 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Outro elemento fundamental para a completa definição do modelo é a adoção de uma lei de endurecimento. O modelo de Barcelona adota uma lei de endurecimento para cada uma das superfícies de plastificação, ou seja, há uma lei de endurecimento para a superfície LC e outra para a superfície SI. As leis de endurecimento para a superfície LC e SI são expressas como: (12) (13) onde dp*0 e ds0 são as duas variáveis internas do tipo tensão relacionadas ao endurecimento. Essas variáveis controlam o tamanho das superfícies LC e SI, respectivamente. Das equações e observa-se que dp*0 e ds0 são variáveis de endurecimento do tipo tensão e sucção. Nessas equações, há ainda um parâmetro do tipo deformação, dεvp , sendo a deformação volumétrica plástica. Observa-se, então, o acoplamento existente entre as leis de endurecimento, uma vez que a origem das deformações plásticas não é considerada. Assim, deformações plásticas oriundas de carregamento, ou seja, produzidas pela perfuração da superfície LC, produzem a movimentação tanto desta como da superfície SI. Conforme dito anteriormente, a relação constitutiva para solos não saturados requer uma relação tensão-deformação e outra tensão-sucção. Detalhes sobre a obtenção da matriz Dij e do vetor hi podem ser obtidos em Lloret & Ledesma (1993). A matriz tensão-deformação, Dij, e o vetor tensão-sucção, hi, são expressos por: (14) (15) e e sendo Dij a matriz constitutiva tensão-deformação elástica, H i o vetor cons- ∂f1 a projeção do vetor normal à ∂σ l ∂g1 a projeção superfície de plastificação num plano de sucção constante, bk = ∂σ l titutivo elástico deformação-sucção, al = do vetor normal à superfície potencial plástico num plano de sucção constante, ∂f1 a projeção do vetor normal à superfície de plastificação na direção do ∂s eixo da sucção, f1 a superfície de plastificação para trajetórias de carregamento e molhagem, LC, g1 a superfície potencial plástico e, ainda, Y é dado pela expresc= são: 267 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (16) 8 RELAÇÃO CONSTITUTIVA VOLUME DE ÁGUA ARMAZENADOSUCÇÃO-VOLUME DE VAZIOS A relação entre o teor volumétrico de água, as poro-pressões e as deformações pode ser apresentada como (17) ou ainda como (18) sendo dεv o incremento de deformações volumétricas e d (ua – uw) o incremento de sucção. É necessário definir uma relação constitutiva para o grau de saturação de modo que possibilite obter os termos e . As variáveis β1 e β2 refletem a facilidade de saída ou entrada de água em um elemento de solo devido a variações no arranjo do esqueleto sólido e na sucção. Portanto, estão relacionadas com o acoplamento da equação de continuidade e da equação de equilíbrio. Trabalhos como Gallipoli et al. (2003) e Cordão Neto (2005) apresentam relações constitutivas que permitem relacionar o grau de saturação com a sucção matrica e as variações volumétricas por meio do índice de vazio, e, ou volume específico v = 1 + e. Essas propostas apresentam diversas vantagens, dentre as quais a de relacionar o grau de saturação diretamente com o volume de vazios independendo do estado de tensão, o que permite levar em consideração a história de tensões do solo e os efeitos de trajetórias de tensões durante a ruptura. Outro aspecto positivo das propostas que consideram o grau de saturação como função não somente da sucção mátrica, como também do índice de vazio, é o fato de variações no índice de vazio já refletirem a ocorrência de deformações elásticas e plásticas, segundo o modelo constitutivo adotado para a relação tensão-deformação-sucção. A proposta utilizada neste trabalho é a mesma apresentada por Cordão Neto (2005), expressa como: (19) 268 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB onde a, b, c e d são coeficientes de ajuste obtidos a partir dos dados experimentais, pa – pw representa a sucção mátrica e e o índice de vazio. Após a definição de uma superfície para o grau de saturação, é possível calcular os termos da Equação sendo expressões como (20) (21) ∂S ∂S e , são obtidas ∂e ∂ ( ua − uw ) de forma direta à partir da Equação . Já as derivadas parciais da porosidade, η, As derivadas parciais do grau de saturação, necessitam da manipulação da relação constitutiva tensão-deformação-sucção, sendo os coeficientes β1 e β2 expressos como: (22) (23) sendo S o grau de saturação, e o índice de vazios, (ua – uw)a sucção mátrica, Dij a inversa da matriz constitutiva tensão-deformação, hi o vetor da relação constitutiva tensão-poropressão e mj = {1,1,1,0,0,0}T. 9 RELAÇÃO CONSTITUTIVA PARA PERMEABILIDADE Para problemas em meios não saturados, a Lei de Darcy requer a definição de uma função que relacione a quantidade de água nos poros com a permeabilidade. Essa função pode ainda levar em consideração outros aspectos, como as deformações volumétricas, por exemplo. Cordão Neto (2005), utilizando os dados experimentais de Pereira (1996), apresenta uma relação para a permeabilidade que considera as variações do índice de vazio e do grau de saturação. Os motivos que levaram à escolha do índice de vazios são os mesmos apresentados anteriormente quando da definição da superfície para o grau de saturação. A escolha do grau de saturação como a outra variável justifica-se por esta ser uma medida direta do volume de água nos vazios. Segundo Fredlund & Rahardjo (1993), o fluxo de água ocorre somente no espaço preenchido por água. A nova proposta é apresenta como: (24) Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 269 sendo e o índice de vazio, S o grau de saturação, A, B, C e D parâmetros de ajuste. Para a condição saturada, S = 1, a equação pode ser reescrita como: (25) onde A corresponde à permeabilidade para o índice de vazio igual a 1. Por outro lado, B fornece a taxa de variação da permeabilidade com a variação do índice de vazio. A Figura 2 apresenta o gráfico da relação da permeabilidade com índice de vazio, em que é possível observar o significado físico dos parâmetros A e B. Figura 2 – Modelo para permeabilidade saturada. 10 SOLUÇÃO ACOPLADA DO SISTEMA DE EQUAÇÕES POR ELEMENTOS FINITOS Conforme apresentado nas seções anteriores, o problema de consolidação em meios não saturados é modelado numericamente pelas Equações e . A primeira trata o problema de equilíbrio e a segunda do problema de continuidade. O fenômeno de consolidação caracteriza-se como transiente, ou seja, dependente do tempo. Sendo assim, é necessária uma solução espacial e temporal. Para a solução do sistema de equações, serão utilizadas as seguintes técnicas: a. na solução espacial da Equação , será utilizado o método dos trabalhos virtuais; b. na solução espacial da Equação , será utilizado o método de Galerkin; c. na solução temporal das Equações e será utilizado o método das diferenças finitas. Serão apresentadas as soluções em termos espacial e temporal para o sistema de equações. Detalhes sobre a obtenção da solução podem ser encontrados em trabalhos como os de Lloret & Ledesma (1993), Pereira (1996), Li et al. (1999), Sheng et al. (2003) ou Cordão Neto (2005). O resultado da discretização espacial do sistema de equações pode ser expresso por: 270 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (26) (27) onde: K ij = ∫ Bim Dml Blj d Ω : matriz de rigidez da parte sólida; Ω Bim: matriz de deformações; Dml: matriz da relação constitutiva tensão-deformação; uj,t, um,t: incremento temporal do vetor deslocamento; Lik = ∫ Bij H j N k d Ω : matriz de acoplamento entre fase sólida e fase água; Ω Hj: vetor da relação constitutiva tensão-sucção; Nk: funções de forma do elemento; uwk,t, uwk,t: incremento temporal da poropressão; Fi = ∫ Nbi ,t d Ω + Ω ∫ Nτ i ,t Γ2 d Γ : vetor de forças externas; Nl,p: matriz de derivadas das funções de interpolação; γw: massa específica da água; kpm: matriz de condutividade; ql : taxa de permeabilidade imposta na fronteira Γ2; Plk = ∫ N l , p Ω 1 k pm N m,k d Ω : matriz de condutividade hidráulica para o domínio; γw uwk: vetor de poropressões de água; Llm = ∫ N,k β1 N m d Ω : matriz de acoplamento da fase sólida e água, onde β1 = Ω Tlk = ∫ β 2 N l N k d Ω : matriz de massa, onde β 2 = Ω ∂θ w ; ∂ε v ∂θ w ; ∂ ( ua − u w ) Wl : − ∫ N ,l kij xi ,i d Ω − ∫ N l ql d Γ : vetor de forças de percolação. Ω Γ2 A definição da função de forma, Nk, da matriz de deformações, Bim, e da matriz de derivadas, Nl,p, bem como outros detalhes sobre a formulação podem ser encontrados em Zienkiewicz (1973), Muniz (1993) e Pereira (1996). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 271 As Equações (11) e (12) podem ser apresentadas na forma condensada como: [ A]{ x} + [ B ]{ x,t } = {Y } K ij 0 0 , B = [ ] L 0 Plk lj onde, [ A] = (28) Lik uj Fi , {X } = e {Y } = . −Tlk uwk Wl A Equação apresenta um termo dependente do tempo. Isso requer uma solução temporal do sistema, a qual é apresentada na Equação . ∆tα [ A]t +α∆t + [ B ]t +α∆t {∆x} = ∆t {Y }t +α∆t − [ A]t +α∆t { x}t +α∆t (29) onde {Δx} é incremento no vetor de incógnitas no intervalo de tempo Δt. As matrizes [A]t+αΔt dependem das incógnitas e podem ser aproximadas pela Equação. A mesma equação é valida para a matriz [B]t+αΔt e o vetor {Y}t+αΔt [ A]t +α∆t = A ({ x}t +α∆t ) = A ( (1 − α ){ x}t + α { x}t +∆t ) (30) 11 CONDIÇÕES DE CONTORNO Além da solução do sistema de equações apresentada anteriormente, há a necessidade da definição de algumas condições de contorno para simulação de problemas quando estas são complexas ou não claramente definidas. Exemplo de condições de contorno complexas é infiltração de água no solo devido a chuvas, ou os valores das poro-pressões nas fronteiras de um aterro durante o processo de construção, ou ainda o funcionamento de drenos. Todos os exemplos são problemas transientes. Para que os fenômenos sejam representados de forma realística, é necessário que haja mudança nas condições de contorno ao longo do tempo. 12 SIMULAÇÃO DE INFILTRAÇÃO DEVIDO À OCORRÊNCIA DE PRECIPITAÇÃO Gitirana Jr. et al. (2005) apresentam um estudo de como determinar condições de contorno para equação de fluxo durante uma precipitação. Os autores citam a existência de uma curva limite para a capacidade de infiltração do solo com o tempo, conforme apresentado na Figura 3. Nesta figura, a capacidade de infiltração do solo é decrescente com o tempo de precipitação, sendo o limite mínimo para a taxa de infiltração por unidade de área igual ao valor da permeabilidade saturada do solo. 272 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 3 – Infiltração versus tempo (modificado de Gitirana et al., 2005). Além disso, os autores referidos definem que o volume de precipitação que infiltra no solo é expresso pela equação: NF = P cos α – AE – R (31) onde NF é o volume de água que infiltra no solo, P é o volume precipitado, α é a inclinação do terreno, AE é o volume que retorna à atmosfera devido à evapotranspiração, e R é o volume que escoa. Os termos dessa equação ficam melhor evidenciados pela observação da Figura 4. A determinação do volume destinado a retornar a atmosfera devido À evapo-transpiração, AE, depende das condições climáticas. Assim, o volume infiltrado líquido que deve ser considerado na definição da condição de contorno para problemas de estabilidade de talude pode ser definido como: NF ' = P cos α – R (32) Figura 4 – Componentes do volume de água precipitado (modificado de Gitirana et al., 2005). Cordão Neto & Farias (2004) apresentam uma forma simples de considerar o balanço entre volume escoado e o volume infiltrado. A Figura 5 ajuda na Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 273 compressão do procedimento adotado. Inicialmente, uma taxa de infiltração, condição de contorno natural, é imposta na superfície do maciço a ser analisado, o que possibilita o cálculo das poro-pressões na superfície. Essa condição é mantida até o instante t1, quando as poro-pressões na superfície do maciço atingem o valor limite, p w = 0 . Isso tem como significado físico o início do escoamento superficial, uma vez que poro-pressões positivas na superfície do terreno representam a existência de uma lâmina de água. Assim, nesse instante, há a mudança da condição de contorno de natural para essencial, ou seja, há a imposição de um poro-pressão prescrita com o objetivo de simular a condição de escoamento superficial. Essa situação é mantida até que ocorra alguma mudança no valor da taxa de infiltração, representado pelo instante t2 na Figura. Nesse instante, a condição de contorno volta novamente a ser natural. 13 FASE DE CONSTRUÇÃO Durante a construção de um aterro, as condições de contorno na superfície que está sendo compactada não são bem definidas. Cordão Neto (2005) apresenta um procedimento pelo qual é possível representar de modo realístico as condições de contorno durante o processo de construção de um aterro. Na Figura 6, é apresentado um resumo do procedimento. Admite-se que, ao final do processo de compactação, a superfície superior da camada compactada está com os valores de umidade e peso específico seco correspondentes aos especificados em projetos. Assim, admite-se que a umidade e o índice de vazios são conhecidos ao final do processo. Utilizando-se esses valores, é possível obter os valores de sucção por meio da curva característica. Figura 5 – Condição de contorno transiente. 274 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Na Figura 6, são apresentados dois elementos: um pertence à camada que está sendo construída, e o outro a uma camada que já foi construída. Nos nós pertencentes ao elemento da camada já construída, as poro-pressões são livres e serão calculadas ao final do processo. Por outro lado, para os nós posicionados no topo da camada em construção, uma condição de contorno essencial é imposta; o valor de poro-pressão corresponde ao valor calculado a partir da curva característica conforme descrito anteriormente. Assim, os valores das poropressões no topo da camada em construção são compatíveis com as condições de compactação. 14 ELEMENTO DE SUPERFÍCIE LIVRE Outra condição de contorno que merece especial atenção é a condição de superfície livre. Drenos de barragens são exemplos desse tipo de condição. Ao final da etapa de construção, os valores das poro-pressões no dreno não são conhecidos. Entretanto, sabe-se que esse dispositivo deve servir como caminho preferencial para a água dentro do corpo da barragem. Assim, ele pode ser simulado como uma condição de contorno natural com vazão zero enquanto os valores de poro-pressões forem negativos. Figura 6 – Detalhes sobre etapa de construção. O enchimento do reservatório e a consequente avanço da frente de saturação do solo podem levar as poro-pressões na região do dreno a valores incompatíveis com sua função. Nesse instante, ocorre a mudança da condição de contorno, inicialmente com vazão prescrita, para a condição de poro-pressão prescrita, ou carga hidráulica prescrita. O procedimento é semelhante ao utilizado na simulação de chuvas. Entretanto, o dreno possui, inicialmente vazão zero; somente quando ocorrem poro-pressões positivas, o dreno é ativado. Esse mesmo procedimento é utilizado para a superfície dos taludes de montante e de jusante de barragens durante a fase de construção. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 275 15 RESULTADOS Nesta seção, serão apresentados resultados que demonstram os efeitos de uma análise acoplada no cálculo do fator de segurança. Dois problemas são apresentados: o primeiro diz respeito a um talude de aterro compactado, semelhante a aterros rodoviários, submetido a uma chuva de longa duração – o material compactado tem características metaestáveis decorrentes do processo de compactação. O segundo problema apresentado é de uma barragem de terra com três diferentes configurações. 16 EXEMPLO 1 – ESCORREGAMENTO DE TALUDE DEVIDO A CHUVAS Um aterro com uma inclinação de 45º de ângulo horizontal e altura de 10 metros compactado com um solo abaixo das condições ótimas de umidade e energia é apresentado na Figura 7. O estado de tensão inicial foi obtido a partir da construção do maciço em cinco camadas. Atribuiu-se ainda uma poro-pressão inicial de -100 kPa em todo o maciço. O solo constituinte do aterro caracteriza-se por apresentar um comportamento metaestável, ou seja, apresenta colapso quando submetido a molhagem. Materiais com essas características podem ser obtidos a partir de processo de compactação deficiente (Pereira, 1996). A Tabela 3 apresenta os parâmetros correspondentes à relação constitutiva tensão-deformação-sucção – Modelo Básico de Barcelona. Os parâmetros da envoltória de Morh-Columb estendida para solos não saturados, ϕ, ϕb e c’ são, respectivamente, 25º, 5º e 5 kPa. Após o final de construção, o maciço é submetido a uma condição de fronteira que visa simular uma chuva. A chuva idealizada tem intensidade tal que excede a capacidade de infiltração do solo após um determinado intervalo de tempo. Após esse instante todo, o excesso de chuva escoa, e a poro-pressão na fronteira é igual a zero, pw = 0, conforme procedimento descrito anteriormente. Figura 7 – Geometria do problema. 276 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 17 ANÁLISE DOS RESULTADOS A Figura 8 mostra a distribuição das poro-pressões dentro do maciço ao longo do tempo. Para o tempo igual a 10000 segundos, apenas a região mais superficial do aterro sofreu mudanças nos valores iniciais de poro-pressões, os quais ainda são negativos. Para o estágio final de tempo, as poro-pressões dentro do aterro permanecem negativas, mas já houve um avanço significativo da frete de saturação, e a redução de sucção no talude já é suficiente para provocar a ruptura. Somente a região central possui valores que excedem 40 kPa de sucção (ou poro-pressão negativa). A Figura 9 mostra a distribuição do incremento das deformações desviatórias e os vetores de incremento de deslocamentos, para os quais se indica o fator de magnificação entre parênteses. A deformação desviatória pode ser calculada pela Equação (33). εq = 2 ( ε1 − ε 3 ) 3 (33) A Figura 9 permite observar o comportamento mecânico do aterro. Inicialmente o aterro sofre uma leve expansão. A partir do instante de tempo igual a 20000s, há uma mudança na direção dos vetores de incremento do deslocamento. Essa mudança está associada ao colapso do solo por molhagem e à perda de resistência. Tal comportamento leva à formação de uma região onde estão concentradas as deformações desviatórias. Tabela 3 – Parâmetros do modelo de Barcelona. M pc kPa p0(0) kPa λ(0) κ r Fundação 1.2 1 400 0.2 0.02 0.75 Aterro 1 3 22 0.2 0.02 0.5 β (MPa) k λs κs e0 υ Fundação 0.0125 0.2 0.08 0.001 0.3 0.3 Aterro 0.06 0.2 0.08 0.001 0.7 0.3 A observação da evolução das deformações desviatórias e dos vetores de incrementos de deslocamento, Figura 9, evidenciam a formação de um mecanismo de ruptura no aterro. O surgimento desse mecanismo é confirmado pelo Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 277 cálculo do fator de segurança para uma superfície imposta dentro da região de maiores deformações. Na Figura 10(a) é possível visualizar o posicionamento da superfície de deslizamento, e na Figura 10(b) mostra-se a evolução do fator de segurança em relação ao tempo. Os fatores de segurança apresentados na Figura 10 (b) foram obtidos da seguinte forma: FS FEM Acoplado – para cada tempo, t, foram utilizados os valores das tensões e das poro-pressões obtidas pelo programa de elementos finitos ALLFINE como entrada de dados para o programa SLOPE/W. FS FEM não acoplado – para cada tempo, t, foram utilizados os valores de poro-pressões obtidos pelo programa de elementos finitos ALLFINE como entrada de dados para o programa SLOPE/W. As tensões forma mantidas constantes e iguais à etapa final de construção do aterro. FS Morgenstern – para cada tempo, t, foram utilizados os valores de poropressões obtidos pelo programa de elementos finitos ALLFINE como entrada de dados para o programa SLOPE/W. Entretanto, as tensões foram obtidas a partir do peso das fatias. O método para o cálculo do fator de segurança escolhido foi o de Morgenstern-Price disponível na ferramenta SLOPE/W. Nota-se que os três métodos obtiveram sucesso quanto à previsão da ruptura do aterro. Entretanto, distinguem-se quanto ao tempo. O método de equilíbrio limite convencional (Morgenstern-Price) foi o mais conservador, com menores valores de FS e previsão de ruptura precoce. Esta análise não foi, porém, exatamente convencional, uma vez que se beneficiou do campo de poro-pressões obtidas numericamente. T = 10000s T = 20000s T = 40000s T = 50000s Figura 8 – Distribuição das poro-pressões (sucção) – kPa. 278 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB T= 10000s (x900) T = 20000s (x500) T = 40000 (x160) T = 50000s (8x) Figura 9 – Deformação desvio e incremento de deslocamento. (a) (b) Figura 10 – Fator de Segurança: (a) superfície analisada; (b) evolução de FS com o tempo. Os métodos de equilíbrio limite aperfeiçoado, usando tensões e poro-pressões obtidas pelo MEF, obtiveram previsão de ruptura praticamente ao mesmo tempo. Entretanto, o método não acoplado mostrou-se mais conservador, indicando valores de FS geralmente inferiores aos obtidos com a solução acoplada, a qual é mais precisa. 18 EXEMPLO 2 – BARRAGENS DE TERRA 2-D Três seções de barragens são analisadas, sendo uma construída com o solo compactado no ramo seco da curva de compactação, formando, assim, um solo com estrutura aberta e sujeito a colapso. A segunda seção será construída com Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 279 material compactado em condições ótimas de umidade. Por fim, uma terceira secção, denominada mista, será analisada. Esta última é constituída em parte pelo material compactado no ramo seco e em parte pelo material ótimo. Essa configuração visa demonstrar que é possível utilizar materiais de menor qualidade mantendo a segurança. Para isso, é necessário que os materiais de qualidade superior estejam posicionados de modo adequado a resistirem aos maiores esforços, enquanto os materiais de menor qualidade estão posicionados de modo a resistirem aos menores esforços. Com o objetivo de facilitar a compreensão do texto, será usada a seguinte nomenclatura para descrever as seções: a seção construída com material compactado no ramo seco é denominada de SECA; a seção construída com material compactado em condições ótimas será denominada de ÓTIMA; por fim, a seção que utiliza os dois materiais é denominada de MISTA. As três seções possuem a mesma geometria. A seção mista possui zonas de material seco e outras de material ótimo. A Figura 11 apresenta a geometria e a malha das seções analisadas neste capítulo. O DRENO indicado na Figura é simulado por uma condição de contorno transiente que somente é ativado para valores de poro-pressões positivas, conforme descrito anteriormente. Figura 11 – Geometria da secção da barragem simulada. Para a seção heterogênea, além da geometria e da malha, é necessário apresentar a disposição dos materiais, vista na Figura 12. Essa seção é constituída por 64% material ótimo e 36% de material seco. Com essa configuração, há uma redução de 13% no consumo de água e de 4% no consumo de massa de solo. A disposição do material ótimo na região central da barragem pretende minimizar os elevados gradientes de deformações. Já a distribuição ao longo de toda a base até a cota de 6 metros tem por objetivo um efeito semelhante ao conseguido por bermas, ou seja, força o deslocamento da superfície de ruptura para regiões mais favoráveis. Todas as seções serão analisadas para as fases de construção, enchimento do reservatório e avanço da frente de saturação até o instante em que é atingido um fluxo estacionário. Para a fase de construção, o método do equilíbrio limite aperfeiçoado foi utilizado. As tensões e poro-pressões são obtidas a partir de uma análise hidromecânica acoplada. Para efeito de comparação, foram realizados também 280 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB análises nas quais as tensões são obtidas por meio de análises não acopladas, e as poro-pressões são mantidas constantes durante a construção do maciço. Do mesmo modo, para a fase pós-construção, foram realizadas análises utilizando o método do equilíbrio limite aperfeiçoado com as tensões e poropressões advindas de uma análise acoplada. Porém, as análises utilizadas com referências neste caso utilizam o método do equilíbrio limite convencional, e somente as poro-pressões são obtidas por meio de análises numéricas. Figura 12 – Geometria da secção mista – disposição dos materiais. Em todas as seções analisadas, para a fase de construção do aterro foram utilizadas dez camadas de 3 metros de espessura. A velocidade de construção foi de 0,3 metro por dia. Nessa fase, os deslocamentos na camada sob construção não são considerados, enquanto as poro-pressões da camada em construção e das já construídas são computadas, conforme recomendações de Naylor & Mattar (1988). A cada nova camada construída, as forças de corpo correspondentes ao peso próprio do material compactado são aplicadas. Além disso, para as análises acopladas, é aplicada, na superfície superior da camada em construção, uma condição de contorno, de modo a considerar as condições específicas em projeto, conforme descrito anteriormente. Nos taludes de montante e de jusante, há uma condição de contorno que simula uma superfície livre impedindo que haja poro-pressões positivas nessa região. Os parâmetros de estado dos solos para as condições de compactação no ramo seco e ótima são apresentados na Tabela 4. Observa-se que há uma grande diferença nos valores desses parâmetros produzida pelas diferentes condições de compactação. Posteriormente, essa diferença ser refletirá no comportamento das seções construídas com os diferentes materiais. Tabela 4 – Parâmetros de estado. p0* e ua – uw γ seco Ótimo 600 kPa 0,4 -3 kPa 18,5 kN/m3 Seco 120 kPa 0,58 -200 kPa 16,3 kN/m3 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 281 19 FASE DE CONSTRUÇÃO Dentre os efeitos observados quando comparadas as análises acopladas e não acopladas, destaca-se a distribuição de poro-pressões ao final da etapa de construção, somente possível nas análises acopladas. A Figura 13 apresenta a distribuição do campo de poro-pressões ao final da fase de construção da seção ótima. A não simetria observada é devida à presença de uma condição de contorno que simula o dreno. A Figura 14 apresenta a distribuição das poro-pressões para a seção seca, enquanto a Figura 15 apresenta a distribuição de poro-pressões na barragem com seção mista. Uma elevada diferença nos valores de poro-pressões para as três seções é observada. Essa diferença se deve, exclusivamente, às condições de compactação do material, refletidas nos parâmetros de estado apresentados na Tabela 4. Outro ponto que merece ser enfatizado é que, na seção mista, a colocação do material compactado no ramo seco reduziu os valores de poro-pressões existentes dentro do material ótimo. Isso, conforme será discutido posteriormente, é favorável à estabilidade do maciço. Neste ponto, deve ser destacado que a utilização da formulação acoplada e das condições de contorno permitiu a obtenção dos campos de poro-pressões sem a necessidade de utilização do parâmetro ru ou outros parâmetros empíricos. Porém, a Figura 16 apresenta a distribuição de ru calculado a partir das poro-pressões para a seção construída com material compactado na condição ótima. Observa-se que os valores calculados são próximos aos utilizados em projetos de barragem de terra. Figura 13 – Distribuição das poro-pressões para final de construção (kPa) – material ótimo. Figura 14 – Distribuição das poro-pressões para análise acoplada (kPa) – ramo seco. 282 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 15 – Distribuição das poro-pressões no corpo da barragem heterogênea (kPa) – análise acoplada. Figura 16 – Distribuição de ru – seção ótima. Além das poro-pressões, outra variável que merece especial destaque é a distribuição das deformações. A Figura 17 apresenta a distribuição das deformações volumétricas das três seções na cota 9,0 metros. Observa-se que a secção seca possui elevados valores de deformações volumétricas, enquanto a seção compactada com material ótima não apresenta valores tão altos. Isso ocorre porque a redução das poro-pressões na região central da barragem associada ao campo de tensão existente é suficiente para que ocorram o colapso do solo e, consequentemente, os elevados valores de deformação. Tal comportamento é desfavorável à estabilidade do maciço, uma vez que produz os efeitos de arqueamento de tensões e o aparecimento de zonas de tração, seguidos de trincas. Estes dois últimos efeitos podem ser comprovados pela Figura 18. Além disso, observa-se que a disposição dos materiais na seção mista elimina o problema de colapso na região central da seção e, consequentemente as trincas, favorecendo a estabilidade do maciço, conforme observado na Figura 19. Todos os fenômenos descritos anteriormente têm efeito sobre o cálculo do fator de segurança e só podem ser considerados por meio de análises acopladas. A Tabela 5 apresenta os valores dos fatores de segurança para análises acopladas e não acopladas. 283 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 5 – Fatores de segurança. ϕ = 16 b Acoplada Não acoplada 1,708 2,980 o Seca ϕb = 0o 1,022 1,825 Ótima Mista 2,104 2,382 2,412 2,541 Para a seção seca, há uma diferença de 74% entre os fatores de segurança calculados nas análises acoplada e não acoplada. Essa diferença se deve, principalmente, à ocorrência do colapso na região central da barragem para o caso acoplado. Observa-se que a diferença se mantém mesmo quando o fator de segurança da barragem é calculado sem levar em consideração a parcela de resistência ao cisalhamento associada à sucção, ϕb = 16o, ou seja, a diferença nos valores do fator de segurança deve-se exclusivamente aos fenômenos descritos anteriormente. Figura 17 – Distribuição das deformações volumétricas para as barragens seca, mista e ótima na cota 9,0 metros – análise acoplada. Figura 18 – Distribuição das tensões principais menores líquidas (kPa) – análise acoplada seção seca. 284 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 19 – Tensão principal menor líquida (kPa) – análise acoplada seção mista. Diferenças menores são observadas entre as análises acopladas e não acopladas para as outras duas seções, sendo 13% para a seção ótima e de 5% para seção mista. Para a seção ótima, o que produz tal diferença são as poro-pressões geradas na análise acoplada. Já para a seção mista, em que não são observadas grandes deformações na região central da seção e os valores de poro-pressões são menores que na seção mista, observa-se que há uma menor diferença nos valores dos fatores de segurança para os diferentes tipos de análises. 20 FASE PÓS-CONSTRUÇÃO Finalizadas as análises da fase de construção, segue-se com as fases de enchimento do reservatório e avanço da frente de saturação até o instante em que se admite fluxo estacionário. Para todos os casos estudados nessa fase, a velocidade de enchimento do reservatório foi de 0,3 metro por dia até atingir a cota de 24 metros. Após isso, a cota do reservatório foi mantida constante durante toda a análise. A jusante há um filtro localizado na base da barragem, o qual é simulado por meio de uma condição de contorno ativada apenas quando da existência de poro-pressões positivas. Com o objetivo de verificar a real influência de uma análise acoplada no cálculo do fator de segurança, os resultados dessa análise foram comparados com os resultados de uma análise convencional, em que somente o campo de poro-pressões foi obtido de uma análise numérica. As tensões necessárias para o cálculo do fator de segurança na análise convencional foram obtidas pelo método de Morgenstern-Price utilizando o peso das fatias e as cargas externas. A Tabela 6 apresenta um resumo dos fatores de segurança para os taludes de montante e jusante nas seções ótima, seca e mista para o instante final, ou seja, quando se admite que condição estacionária foi atingida. 285 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 6 – Fatores de segurança análise acoplada e convencional – fluxo estacionário. SEÇÃO Ótima Seca Mista TIPO DE ANÁLISE Convencional Acoplada Convencional Acoplada Convencional Acoplada Montante 2.449 2.701 1,859 1,068 2,166 2,520 Talude Jusante 1.950 2.486 1,363 1,719 1,935 2,362 De um modo geral, as análises convencionais foram mais conservadoras que as análises acopladas. Esse comportamento foi observado para todos os casos, com exceção do talude de montante para a seção seca, em que houve uma inversão dessa tendência. Os resultados mais conservadores obtidos para a seção ótima refletem o fato de que, apesar de pequenas, as deformações sofridas pela barragem durante as fases de construção, enchimento do reservatório e avanço da frente de saturação não devem ser desconsideradas, uma vez que estas afetam o estado de tensões da barragem. Nas análises convencionais, as variações no estado de tensões são produzidas pelas mudanças no campo de poro-pressões, desprezando-se as mudanças advindas das deformações. Para a seção mista, a desconsideração dos efeitos das deformações produz efeito semelhante aos efeitos observados na seção ótima, uma vez que, nessa seção, o material ótimo determina o comportamento mecânico de toda a seção. Porém, para a seção seca, a análise convencional se mostrou mais conservadora somente para o talude de jusante. Para o talude de montante, houve uma inversão dos efeitos da não consideração das deformações. Observa-se que, para análise convencional, o valor do fator de segurança é igual a 1,859, maior inclusive que para o talude de jusante, ao passo que para a análise acoplada o fator de segurança demonstra que a barragem está na eminência de ruptura. As Figura 20 até Figura 25 mostram a evolução das deformações e das poropressões para os tempos 180, 480, 680, 1680 e 2680 dias. As isocurvas correspondem ao incremento de deformação desvio. Os vetores representam as velocidades de deslocamento, ou seja, o incremento de deslocamento no tempo correspondente. Para todas as figuras, a escala dos vetores de velocidade de deslocamento é 100 vezes o deslocamento real. A partir do instante 180 dias (Figura 20), regiões com potencial de colapso que não ocorreu durante a etapa de construção são atingidas pela frente de saturação. Desse modo, essas regiões sofrem deformações, enquanto as regiões adjacentes permanecem inalteradas. Sendo assim, o fluxo de água promove o 286 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB aparecimento de um gradiente de deformações dentro do corpo da barragem. Nos tempos seguintes, da Figura 21 a Figura 25, ocorre o colapso das regiões que não haviam sido afetadas na fase de construção. Figura 20 – Análise acoplada. Tempo = 180 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poro-pressões (kPa). Figura 21 – Análise acoplada. Tempo = 480 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poropressões (kPa). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 287 Figura 22 – Análise acoplada. Tempo = 680 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poropressões (kPa). Figura 23 – Análise acoplada. Tempo = 880 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poro-pressões (kPa). As evoluções dos fatores de seguranças para as superfícies de montante e de jusante vistas na Figura 26 são apresentadas na Figura 27. Os fatores de segurança foram calculados com e sem a consideração da parcela adicional de resistência devido à sucção. Na nomenclatura apresentada na legenda da Figura 27, a primeira letra diz respeito ao talude, sendo M para o talude de montante e J para o talude de jusante. 288 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Inicialmente, há um aumento do fator de segurança a montante com o enchimento do reservatório. Esse aumento é interrompido após o tempo 180 dias. Dois fatores contribuem para isso: um é o surgimento de poro-pressões positivas na superfície analisada, e o outro está relacionado ao gradiente de deformações que, por sua vez, contribuem para a formação de zonas de trações. Este último efeito pode ser visto na Figura 28, que mostra a distribuição das tensões normais ao longo da superfície de deslizamento de montante para os tempos 140, 180 e 680 dias. Nesta figura, é possível se observarem tensões normais a superfícies negativas. Figura 24 – Análise acoplada. Tempo =1680 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poro-pressões (kPa). Figura 25 – Análise acoplada. Tempo =2680 dias. (a) Vetores de incremento de deslocamento e contornos de incrementos de deformação desvio. (b) Campo de poro-pressões (kPa). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 289 O aumento do fator de segurança no talude de jusante no tempo 680 dias decorre da redução nas tensões cisalhantes mobilizadas ao longo do superfície, conforme pode ser visto na Figura 29. A redução prossegue até o tempo 1680 dias. Porém, para este tempo, a redução na resistência mobilizada é compensada pela diminuição na tensão normal em parte da superfície, vista na Figura 30, o que acarreta a redução do valor do fator de segurança para os níveis anteriores. A redução na tensão normal é produzida, principalmente, pelo aparecimento de poro-pressões. Figura 26 – Posição das superfícies críticas a montante e a jusante no instante 2680 dias. Análise acoplada. Figura 27 – Evolução do fator de segurança para as fases de enchimento e avanço da frente de saturação – análise acoplada. Figura 28 – Tensão normal a superfície de escorregamento a montante. 290 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Durante a fase de construção, a região central da barragem havia sofrido deformações muito superiores às outras regiões. Por conseguinte, havia surgido um gradiente de deformações desfavoráveis à estabilidade do maciço. Com o fluxo de água, as regiões adjacentes ao centro também sofrem colapso e, assim, há a diminuição do gradiente de deformações. Desse modo, há a redução na tensão mobilizada ao longo da superfície de escorregamento quando se compara o início do enchimento do reservatório e o tempo de 2680 dias. Figura 29 – Tensão mobilizada ao longo da superfície de jusante. Figura 30 – Tensão normal para superfície de jusante. Outro aspecto sobre a evolução dos fatores de segurança a montante e a jusante diz respeito à similaridade no comportamento entre os que consideram a parcela adicional de resistência devida à não saturação e os que não consideram. A montante, após o instante 140 dias, observa-se que o comportamento independe da consideração ou não da parcela extra de resistência, uma vez que, nesse tempo, a superfície de deslizamento encontra-se praticamente toda na zona saturada. Para o talude de jusante, observa-se que a consideração ou não da resistência devida à não saturação não afeta o comportamento em nenhum instante. Desse modo, pode-se afirmar que, para a situação analisada, há o predomínio das deformações no comportamento do fator de segurança. Por fim, as análises aqui apresentadas evidenciam um comportamento não convencional para os valores de fator de segurança. Geralmente, para as fases posteriores à construção, o fator de segurança crítico é admitido como sendo Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 291 o do regime de fluxo estacionário no talude de jusante. Por outro lado, os resultados apresentados demonstram que, para o material com estrutura aberta compactada no ramo seco, a situação mais desfavorável ocorre na face de montante quando a frente de saturação encontra-se aproximadamente no meio da barragem, ou seja, no instante 680 dias. Desse modo, observa-se que a não consideração da influência das deformações no campo de poro-pressões pode levar a resultados conservadores ou contra a segurança, dependendo das características do material que constitui a obra. Assim, sempre que possível, deve-se optar por uma análise acoplada. 21 CONCLUSÕES No presente trabalho, é apresentado um estudo de como o cálculo do fator de segurança é afetado pela origem dos campos de tensões e poro-pressões. Inicialmente, é apresentada uma metodologia de análise que permite associar o método do equilíbrio limite (MEL) ao método dos elementos finitos (MEF) e, assim, reduzir as incoerências que ocorrem quando o MEL é utilizado de forma isolada. As equações básicas e a solução do problema de consolidação em meios porosos não saturados são apresentadas. Além das equações básicas, são apresentadas todas as relações constitutivas necessárias para a solução do problema. Duas novas propostas de relações constitutivas para o comportamento hidráulico dos solos não saturados são apresentadas. Têm como principais vantagens utilizarem o índice de vazio como variável de estado. Também são apresentados procedimentos para tratar condições de contorno complexas, tais como a ocorrência de chuvas, presença de drenos em barragens e ainda as condições de contorno durante a fase de construção de aterros. Em todos os casos apresentados neste trabalho, considerar um único fator de segurança se mostrou um erro, uma vez que fenômenos ocorridos durante o ciclo de vida da obra – processo de construção, enchimento do reservatório, chuvas, dentre outros – afetam de forma significativa os valores do fator de segurança. Assim, análises de estabilidade de taludes devem ser consideradas como problemas transientes. Além disso, pelos exemplos analisados, conclui-se que as deformações ocorridas dentro do maciço devidas às variações das poro-pressões afetam a distribuição de tensão dentro do maciço e, consequentemente, os valores de fatores de segurança. A utilização de análises convencionais não permite a identificação desses fenômenos. Assim, essas análises acabam por produzir valores de fatores de segurança distantes dos reais. REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS Alonso, E.E; Gens, A.; Josa, A. (1990). A constitutive model for partly saturated soil. Géotechnique, 40(3), p. 405-430. 292 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Baker, R. (1980). Determination of the critical slip surface in slope stability computations. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, 4, p. 333-359. Cordao Neto, M. P. (2005). Análises hidro-mecânica acoplada de uma barragem de terra construida com solos meta-estáveis. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. Cordão Neto, M. P.; Pinheiro, M.; Farias, M. M. (2004). Evolução transiente do fator de segurança de aterros não saturados durante uma chuva. In: II Congresso Luso-Brasileiro de Geotecnia, Aveiro. v. 1. p. 367-376. Cordao Neto, M. P.; Farias, M. M. (2006). Coupled hydro-mechanical analysis of the construction of earth fills compacted with collapsible soils. In: The Fourth International Conference on Unsaturated Soils, Carefree. Farias, M. M. (1993). 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Capítulo 13 Histórico de pesquisas em revestimentos asfálticos Luiz Guilherme Rodrigues de Mello Márcio Muniz de Farias 1 INTRODUÇÃO Este Capítulo tem por objetivo apresentar o desenvolvimento das pesquisas voltadas para a pavimentação, mais especificamente para os materiais que compõem a camada de revestimento asfáltico. O Grupo de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília iniciou pesquisas relacionadas a esse tema na década de noventa, com o estudo dos agregados calcários utilizados na região. A partir de então, diversas outras áreas foram objeto de estudos, estando atualmente voltadas para pesquisas relacionadas com a utilização de materiais alternativos no concreto asfáltico e a aplicação da Teoria da Viscoelasticidade para o entendimento do comportamento mecânico desse material. Destacam-se, também, as pesquisas envolvendo o aspecto funcional do revestimento asfáltico, mais especificamente relacionadas às características drenantes e de atrito. Será apresentado, nesta parte, um resumo dos avanços obtidos nas pesquisas realizadas pelo Programa. 2 HISTÓRIO DAS PESQUISAS REALIZADAS Em pavimentação, a observação do comportamento dos materiais é um fator de grande relevância durante o desenvolvimento de um projeto, principalmente quando se está trabalhando com os geomateriais. A imensa parte da malha rodoviária brasileira pavimentada é composta por pavimento flexível, ou seja, utiliza diversos tipos de misturas asfálticas como revestimento principal. Uma mistura asfáltica é, basicamente, composta pela mistura do ligante, ou cimento asfáltico de petróleo (CAP), com agregados. Em alguns casos, pode ser preciso a inclusão de fillers ou outros materiais na mistura com o objetivo de melhorar algum tipo de propriedade, tais como cal, cimento, polímeros, fibras, etc. Numa mistura asfáltica, os agregados naturais representam mais de 90% do peso de uma mistura. Embora a proporção de ligante seja pequena, sua influência no comportamento mecânico das misturas é fundamental, assim como a dos agre- 294 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB gados. Um dos primeiros trabalhos relacionados ao tema, desenvolvido na Geotecnia-UnB, foi a caracterização de calcários do Distrito Federal e avaliação de seu potencial para uso na pavimentação (Junqueira, 1994). O trabalho, considerado um passo inicial no desenvolvimento de pesquisas em pavimentação na Universidade de Brasília, teve como foco principal a caracterização e classificação desse tipo de rocha para, então, verificar sua viabilidade no uso em pavimentação. Sabe-se que, no Distrito Federal, materiais pétreos de qualidade superior somente são encontrados em grandes distâncias, o que onera sobremaneira o custo do empreendimento. Portanto, o uso do calcário é comum na fabricação de misturas asfálticas e seu uso tem sido uma constante até então. Porém, nem sempre essa foi a realidade nas obras de pavimentação na Capital. No início da construção de Brasília, por ausência das empresas de exploração de agregados, buscavam-se materiais a grandes distâncias, principalmente o basalto. Com o intuito de reduzir custos, o micaxisto vindo de Luziânia/GO foi utilizado, mas sem comportamento satisfatório por conta de seus problemas de adesividade e forma. O calcário foi, então, uma alternativa viável pela abundância local e pelo comportamento mecânico satisfatório. Segundo Junqueira (1994), muito embora o calcário seja a única alternativa economicamente viável para a política rodoviária do Distrito Federal, um estudo mais detalhado desse material é muito importante, já que a simples denominação “calcário” não reflete a grande variedade desse tipo de rocha existente na região. O trabalho desenvolvido por Junqueira (1994) mostra que a presença de veios e fraturas preenchidas por calcita é o fator principal que controla as propriedades de resistência dessas rochas, deixando a influência da composição mineralógica em segundo plano. Alguns tipos litológicos, que apresentam foliação evidente, têm a tendência de produzirem britas de formas alongadas. O processo de espalhamento desses materiais em campo pode influenciar a orientação das britas, facilitando os processos de desgaste e polimento dos grãos. O resultado são pavimentos escorregadios, com baixo atrito entre o pneu e o revestimento asfáltico, muito comuns no Distrito Federal. Os resultados obtidos em ensaios laboratoriais mostram que os calcários do Distrito Federal apresentam comportamento satisfatório para utilização em pavimentação. Entretanto, foi observado que, devido à grande complexidade das rochas dessa região, a jazida fornecedora não tem um controle do tipo de material explorado. Em pequenas áreas de exploração pode ser extraído mais de um tipo de calcário. Com isso, na construção de uma rodovia, são utilizados vários lotes de agregados trazidos diretamente de jazidas, os quais podem apresentar comportamentos mecânicos diferenciados. O autor conclui o trabalho indicando a realização de estudos em materiais alternativos, com o objetivo de diminuir a dependência da dependência das empresas exploradoras de calcário pelos órgãos responsáveis pela pavimentação em Brasília. Para que se obtenham resultados satisfatórios num projeto de pavimentação, deve-se ter um efetivo controle dos materiais utilizados em todas as camadas, assim como um método de dimensionamento que se adéque às realidades Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 295 encontradas em campo. O pavimento é uma estrutura projetada para romper. O desafio do projetista é prever quando a ruína acontecerá. Entretanto, são diversos os fatores que interferem diretamente no desenvolvimento de um projeto. Dentre eles, destacam-se a natureza das cargas aplicadas no pavimento e a influência das condicionantes climáticas existentes no local de construção. As metodologias existentes para o dimensionamento de uma estrutura de pavimento foi objeto de estudo da pesquisa realizada por Monteiro (1996). Em seu trabalho, o autor faz um apanhado das metodologias existentes à época, considerando a acurácia dos métodos empíricos de dimensionamento de reforço. Discute, ainda, a validade da superposição dos efeitos em análises não lineares e realiza simulações numéricas de um carregamento estático utilizando modelo tridimensional. Dentre os resultados obtidos pelo autor, o uso de um modelo não linear permitiu um melhor ajuste da bacia de deflexão obtida em campo, demonstrando o avanço na utilização de modelos não lineares sobre a comumente utilizada modelagem linear. Mais ainda, os resultados obtidos pela simulação tridimensional, apesar de preliminar à época do estudo, demonstraram uma diferenciação significativa entre os valores obtidos sob essas condições e aqueles calculados com a superposição de efeitos de tensões obtidas em análises bidimensionais sob condição axissimétrica. A Figura 1 ilustra um comparativo entre os dois modelos utilizados. Com o objetivo de complementar o estudo, Monteiro (1996) apresenta um comparativo das metodologias de dimensionamento de pavimento vigentes, incluindo a análise feita pelos conceitos mecanísticos. Segundo os resultados apresentados, e considerando critérios apresentados em sua Revisão Bibliográfica, o autor demonstra deformações de tração limites com as quais o revestimento asfáltico poderia conviver para um determinado número N de repetições de carga. A Tabela 1 apresenta os valores que, em média, resultam num limite de 50,0.10-6 m/m para uma situação específica. Sabe-se que esse valor está próximo aos resultados encontrados na literatura científica atual, mais especificamente aqueles relacionados com o chamado endurance limit, ou seja, limite de deformação no qual o revestimento asfáltico teria vida de fadiga infinita. É importante ressaltar que, apesar da proximidade com os valores observados nas publicações internacionais, esse limite é variável e dependerá de outros fatores. Figura 1 – Comparativo entre tensões na direção X devido aos dois pneus (2D) e a simulação tridimensional (modificado – Monteiro 1996). 296 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 1 – Valor da deformação de tração limite obtida para a seção estudada (Monteiro, 1996). Outra importante constatação do trabalho realizado por Monteiro (1996) é a variação da tensão de tração em função de um dimensionamento da espessura do reforço. Conforme o autor observa, nem sempre o acréscimo de espessura do reforço será benéfico ao pavimento. A Figura 2 ilustra essa variação, mostrando que, para espessuras próximas de 4,0 cm, a tensão de tração é máxima. Essa situação se dá pela composição modular de cada pavimento, considerando os diferentes comportamentos mecânicos dos materiais que compõem as camadas estruturais. Em outra situação, pode-se ter que a tensão de tração máxima ocorra num outro intervalo de espessura, diferente do apresentado pelo autor. Figura 2 – Variação da tensão em função da espessura do reforço (modificado - Monteiro, 1996). Por fim, o autor finaliza seu trabalho concluindo que é importante a realização de uma avaliação estrutural do pavimento a partir da bacia de deflexão. Mais ainda, constatou que a modelagem não linear é benéfica em termos de obtenção do melhor ajuste da bacia de deflexão. Muito embora as análises numéricas tenham sido realizadas com modelos elásticos, foi possível observar uma diferença significativa entre os valores obtidos sob a condição tridimensional, considerando a superposição de efeitos em análises bidimensionais axissimétricas. O desenvolvimento computacional acontecido nos últimos anos impulsionou cada vez mais a utilização de softwares, modelos e equipamentos. Na Engenharia de Pavimentação, esse avanço também se mostrou uma realidade. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 297 Monteiro (2003) realizou uma pesquisa utilizando um modelo advindo da Engenharia Mecânica para estudar a propagação de trincas no interior de um revestimento asfáltico. O objetivo principal do estudo foi caracterizar parâmetros de materiais betuminosos utilizado no Brasil que poderiam ser utilizados em modelos preestabelecidos na bibliografia técnica. Além disso, objetivou estabelecer um modelo de propagação de trincas nas misturas estudadas por meio da utilização da Teoria da Mecânica da Fratura. A metodologia adotada por Monteiro (2003) contemplou a realização de ensaios laboratoriais com amostras prismáticas. Tais amostras foram obtidas em campo, pela serragem do concreto asfáltico compactado numa área especificamente revestida para a realização da pesquisa. Os ensaios nas vigotas consideraram carregamentos estáticos e cíclicos, incluindo a flexão alternada, para melhor representar a situação observada em campo. Além dos ensaios laboratoriais, Monteiro (2003) simulou numericamente ensaios de flexão a quatro pontos com o intuito de estimar a extensão e o formato da zona de plastificação em ensaios monotônicos. De posse dos valores experimentais, o autor apresentou os parâmetros necessários para a definição do modelo conhecido como a Lei de Paris, representada pela equação abaixo: em que C e m são constantes do material e determinadas experimentalmente, N é o número de ciclos, e a o comprimento da trinca. Em seguida, o autor apresenta os resultados numéricos e experimental da integral J que, segundo o trabalho, representa a diferença de energia absorvida pelo corpo antes e após a propagação da trinca. De forma conclusiva, Monteiro (2003) observa que, para baixos níveis de carga em ensaios cíclicos, pode-se considerar que o material apresenta-se num regime elástico linear. Entretanto, a partir de um determinado nível de carga, existe uma tendência de não linearidade do material. O autor finaliza considerando que, nas cargas encontradas para a ruptura do corpo-de-prova e as utilizadas durante os ensaios cíclicos, os corpos-de-prova estariam submetidos a um regime elástico-linear. Entretanto, as tensões geradas na ponta da trinca são bastante elevadas e suficientes para formar uma zona de plastificação, atingindo a tensão de ruptura do material. Além de estudos considerando os modelos mecânicos que começavam a ser utilizados para o entendimento do comportamento de misturas asfálticas sob carregamentos cíclicos, o uso dos materiais alternativos sempre foi um dos principais focos das pesquisas desenvolvidas pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Dantas Neto (2001) promoveu um comparativo entre os materiais CAP PLUS 104 e CM PLUS com os tradicionais materiais utilizados na Engenharia Rodoviária, ou seja, CAP 20 e CM-30. Como resultado, o autor relata que o material CAP PLUS 104 é um ligante mais viscoso que os asfaltos convencionais. Esse acréscimo de viscosidade foi obtido pela incorporação de asfaltita no 298 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ligante. Para contrapor o seu enrijecimento, o ligante possui adição de um material polimérico denominado NPA (extrato aromático de neutro pesado) que tem por objetivo conferir maior flexibilidade ao produto. Num trecho experimental executado com os dois tipos de ligantes asfálticos, Dantas Neto (2001) mostrou que o pavimento contendo concreto asfáltico com CAP PLUS 104 obteve menores deflexões que o pavimento construído com o ligante CAP tradicional. Já para os resultados obtidos com o asfalto diluído CM PLUS, o autor mostrou que, em condições similares de aplicação, o produto se comportou de maneira equivalente ao material tradicional (CM-30). A utilização de materiais alternativos em pavimentação sempre foi uma das principais áreas de pesquisa do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Por outro lado, o estudo da funcionalidade dos pavimentos também se mostrou de suma importância pelos pesquisadores do Programa, tendo sido desenvolvidas pesquisas de grande interesse sobre o assunto. Oliveira (2003) procurou estudar as propriedades hidráulicas e mecânicas de um concreto asfáltico drenante. Nesse trabalho, o autor apresenta ensaios mecânicos em misturas asfálticas com diversas granulometrias, incluindo ligantes asfálticos modificados por polímero. Obviamente, os resultados de módulo resiliente nas misturas drenantes se mostraram inferiores às misturas densas, visto que o aumento do volume de vazios tende à redução da rigidez do material. Voltando às pesquisas com materiais alternativos, e pegando carona no apelo ecológico, o uso da borracha de pneus para modificar o ligante asfáltico se mostra como uma alternativa viável tanto técnica quanto economicamente, considerando os comportamentos observados principalmente na América do Norte. Assim, uma pesquisa desenvolvida por Dantas Neto (2004), juntamente com a Universidade do Minho, Portugal, procurou estudar a influência das variáveis do processo de fabricação dos asfaltos-borracha nas suas propriedades físicas e no comportamento mecânico das misturas asfálticas confeccionadas com esses materiais. Nesse caminho, o autor também realizou modelos de previsão das propriedades físicas por meio de redes neurais. Para isso, Dantas Neto (2004) realizou ensaios laboratoriais em amostras produzidas em laboratório, avaliando tanto suas propriedades físicas como suas características mecânicas. A Figura 3 apresenta a granulometria das borrachas utilizadas neste estudo. Figura 3 – Ilustração comparativa entre o tamanho dos grãos de borracha (Dantes Neto, 2004). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 299 Conforme constatado pelo autor, o acréscimo da borracha ao ligante resulta em diminuição da penetração das amostras e consequente aumento da viscosidade rotacional. Segundo os resultados, demonstra-se que a viscosidade rotacional é um dos principais fatores que limitam o aumento da percentagem de borracha incorporada aos ligantes asfálticos convencionais. Além disso, o acréscimo da borracha granulada faz com que aumente o ponto de amolecimento e a resiliência das amostras (Figura 4). O aumento do ponto de amolecimento pode indicar uma melhoria do comportamento dos ligantes modificados a elevadas temperaturas, ao passo que o aumento da resiliência está relacionado com o ganho da capacidade de recuperação elástica promovida pela incorporação da borracha granulada. Figura 4 – Comportamento do ligante asfáltico com a variação da percentagem de borracha utilizada (Dantes Neto, 2004). Além das mudanças das propriedades físicas do ligante com o acréscimo do percentual de borracha utilizada, Dantas Neto (2004) observou que o processo de obtenção da borracha granular também interfere no comportamento do ligante modificado. O autor realizou ensaios laboratoriais considerando a borracha obtida pelo processo criogênico e mecânico que resultam em grãos com superfícies específicas diferenciadas, o que interfere diretamente na área de contato do grão com o ligante asfáltico. A Figura 5 ilustra as diferenças dos grãos obtidas pelos dois processos. Além desses estudos, a pesquisa observou a influência de fatores como tempo de reação, temperatura de modificação, tipo de ligante original, granulometria da borracha, dentre outros. O autor conclui que as propriedades físicas dos asfaltos-borracha são controladas por vários fatores ligados às características dos materiais empregados e do processo de mistura entre esses materiais, indicando uma necessidade de estabelecer diretrizes para a modificação. 300 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 5 – Diferença na forma dos grãos da borracha obtida pelo processo de moagem mecânica (R4) e criogênico (CRM5) (Dantes Neto, 2004). Considerando o comportamento mecânico das misturas asfálticas modificadas, Dantas Neto (2004) observa que a utilização da borracha de pneu promove melhoria nos seguintes aspectos: aumento do módulo resiliente e diminuição do ângulo de fase, aumento da resistência ao trincamento por fadiga e ao desenvolvimento das deformações permanentes. Pode-se dizer, ainda, que o comportamento mecânico das misturas confeccionadas com asfalto-borracha é influenciado pelas seguintes variáveis: percentagem e tipo de borracha granulada, tempo e temperatura de mistura e processo de incorporação da borracha granulada. Essa pesquisa resultou em diversos trabalhos publicados pelo autor, juntamente com seus orientadores, permitindo que outras pesquisas fossem conduzidas pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Como mencionado anteriormente, o estudo da funcionalidade do pavimento mostrava-se de suma importância para a Engenharia Rodoviária. Com base nisso, Roseno (2005) procurou estudar uma composição de mistura asfáltica porosa com agregados calcários utilizando ligantes modificados por borracha de pneu. Segundo o autor, o objetivo geral do trabalho foi avaliar o comportamento de uma mistura drenante, conduzindo ensaios de permeabilidade com a metodologia proposta pelo EMPA (Laboratório Federal Suíço de Pesquisa e Análise de Materiais). Além disso, procurou verificar a aplicabilidade do cálculo da permeabilidade horizontal utilizando a fórmula empregada para se obter a permeabilidade vertical com corpos-de-prova cúbicos. A Figura 6 apresenta os aparelhos necessários para a preparação dos corpos-de-prova cúbicos. Os resultados obtidos pelo Roseno (2005) mostram que a permeabilidade horizontal foi sempre superior à permeabilidade vertical. Essa anisotropia de permeabilidade é decorrência do formato alongado e lamelar da maioria dos grãos envolvidos no preparo da mistura, os quais são orientados segundo a direção da maior dimensão durante a compactação. O autor conclui Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 301 que a recomendação da norma européia CEN PR-12697-19-A em utilizar a mesma equação para o cálculo das permeabilidades vertical e horizontal não possui uma sólida fundamentação teórica, uma vez que os fluxos horizontal e vertical possuem áreas e distâncias de percolação distintas em corpos–de-prova do tipo Marshall. Ainda segundo o autor, a metodologia proposta utilizando corpos-deprova cúbicos permite a determinação dos coeficientes de permeabilidade em todas as direções, utilizando uma única fórmula teoricamente consistente. Figura 6 – Aparelhos necessários para fabricação de corpos-de-prova cúbicos (Roseno, 2005). Novamente, a utilização de materiais alternativos resultou no trabalho de Santos (2007). Nesse caso, a pesquisadora procurou estudar a viabilidade técnica dos solos argilosos superficiais na região de Manaus quanto ao seu potencial para calcinação, visando ao seu emprego em misturas asfálticas. Por trás do objetivo principal, a carência de materiais pétreos na citada região demonstra a necessidade de encontrar alternativas para compor o esqueleto pétreo das misturas asfálticas. No Brasil, segundo a autora, a utilização de agregados sintéticas de argila ainda é limitado. A Figura 7 ilustra o aspecto dos agregados após a calcinação. Por se tratar de agregados sintéticos, advindos de solos argilosos, a consideração com o ensaio de abrasão Los Angeles é de extrema importância. Os resultados obtidos com agregados sintéticos de argila calcinada obtiveram valores próximos do limite superior de 35% preconizado pela norma DNER EM 230/94 para uso em revestimento asfáltico. Agregados resultantes da britagem apresentaram-se lamelares, mais frágeis à quebra. Após os ensaios mecânicos realizados por Santos (2007), a autora conclui que o comportamento alcançado pelas misturas asfálticas confeccionadas com agregados sintéticos indicam uma forte possibilidade de sua utilização como material alternativo na composição de revestimentos asfálticos regionais. 302 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 7 – Agregados calcinados (Santos, 2007). Com o objetivo de manter vínculos com instituições de ensino em outros países, a pesquisa desenvolvida por Mello (2008), juntamente com a Arizona State University – ASU, procurou avaliar a aplicabilidade da Teoria do Dano em Meio Contínuo, advinda da Engenharia Mecânica, em ensaios de fadiga à flexão. Os ensaios realizados foram feitos à flexão (4PB – Four Point Bending) em vigotas, de acordo com a norma AASHTO T321-03 (Figura 8). Segundo o autor, a aplicabilidade do dano em meio contínuo em ensaios de fadiga uniaxiais foi comprovada por diversos trabalhos publicados na literatura. Entretanto, tais ensaios ainda são de difícil execução. Diante disso, estudou-se a aplicabilidade da teoria em ensaios à flexão, considerando sua simplicidade de execução e o fato de serem executados em diversos centros de pesquisa. A pesquisa utilizou misturas convencionais, densas e produzidas com ligantes sem modificação, assim como misturas do tipo descontínuas e abertas, utilizando ligantes modificados com borracha de pneu. Figura 8 – (a) Equipamento de fadiga a flexão em quatro pontos; (b) equipamento no interior da câmara climatizada (Mello, 2008). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 303 O trabalho baseia-se na determinação da chamada Curva Característica da mistura asfáltica por meio do ensaio de fadiga. Essa curva, segundo os resultados obtidos, é independente do nível de deformação aplicada ao material, da frequência do ensaio e também do tipo de carregamento utilizado, seja ele sob deformação ou tensão controlada. Além de ensaios de fadiga, o trabalho obteve características viscoelásticas das misturas asfálticas por meio de ensaios de módulo dinâmico realizados em amostras cilíndricas. A Figura 9 apresenta a curva característica obtida para uma determinada mistura, ilustrando sua independência em relação à deformação imposta ao material. Na pesquisa conduzida por Mello (2008), foram apresentados também resultados obtidos por um software que permite a consideração de modelos viscoelásticos nas camadas de revestimento asfáltico. A pesquisa mostra a evolução dos modelos constitutivos aplicados em misturas asfálticas, considerando suas características viscoelásticas e a dependência do binômio tempo-temperatura. Figura 9 – Curva característica de uma mistura para diferentes níveis de deformação (Mello, 2008). No ano de 2006, o resultado de um grande esforço coletivo, em que a liderança do Prof. Márcio Muniz de Farias se mostrou indispensável, o Laboratório de Engenharia Rodoviária – LER (CEFTRU) se tornou um centro de pesquisa, com equipamentos de última geração, onde a maioria dos trabalhos ligados à área de pavimentação vem sendo desenvolvida por pesquisadores ligados ao Programa de Pós-Graduação em Geotecnia/UnB. Considera-se um marco importante para o Programa, pois, considerando a estrutura disponível e o corpo técnico atuante, a produção acadêmica voltada para a área de pavimentação tornar-se-á digna dos grandes centros de pesquisa. O LER/CEFTRU tem dado apoio a pesquisas de vários professores da Geotecnia e mais especificamente aos trabalhos relacionados ao estudo de misturas asfálticas. Até o presente momento, foram desenvolvidas três dissertações de mestrado usando majoritariamente a infraestrutura do LER/CEFTRU: Silva (2008), Araújo (2009) e Ramos (2009). Esta última trata do desenvolvimento de misturas asfálti- 304 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB cas para utilização como elemento vedante em barragens, dando continuidade aos trabalhos desenvolvidos por Falcão (2003) e Falcão (2007). As duas primeiras são relativas a aplicações em aeroportos e serão comentadas a seguir. Recentemente, o aspecto funcional de pavimentos de aeródromos, principalmente na questão relacionada ao atrito pneu-pavimento, passou a fazer parte do noticiário por conta de um acidente ocorrido no Aeroporto de Congonhas, São Paulo. Sem entrar no mérito das causas do acidente, sabe-se da importância de se manterem os pavimentos de aeroportos em condições satisfatórias de segurança. Para isso, o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia vem desenvolvendo pesquisas nesse sentido, visando preencher uma carência de procedimentos e normas adaptadas às condições brasileiras. Silva (2008) procurou investigar as condições funcionais de pavimentos aeroportuários, tomando-se como estudo de caso a antiga pista do Aeroporto Internacional de Brasília, ainda em funcionamento. Essa pista foi escolhida por encontrar-se em operação e possuir elevado tráfego de aeronaves com intensidade suficiente para promover os problemas funcionais e estruturais relatados na literatura. Para a avaliação das condições de funcionalidade do pavimento, Silva (2008) realizou ensaios de campo que permitem obter parâmetros e características da macro e microtextura da superfície do pavimento. Para tanto, ensaios de mancha de areia e o método do Pêndulo Britânico foram utilizados na pista do Aeroporto de Brasília, conforme as Figuras 8 e 9. Além disso, foram feitos ensaios de capacidade drenante do pavimento por meio do equipamento Drenômetro do LER (CEFTRU-UnB). Figura 10 – Ensaio de mancha de areia na pista do AIB na situação emborrachada e desemborrachada (Silva, 2008). Figura 11 – Ensaio de Pêndulo Britânico na Pista do AIB (Silva, 2008). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 305 Os resultados obtidos pelo autor antes e após o desemborrachamento da pista mostram a eficácia do método de jateamento de água sob alta pressão, utilizado pela Infraero no sentido de melhorar as características da pista, devido à retirada da borracha que obstruía os canais formados pelo grooving. Essa melhoria aumenta a capacidade de drenagem da superfície do pavimento, reduzindo o potencial de ocorrência de hidroplanagem. Da mesma forma, as características de microtextura da superfície foram melhoradas após o procedimento adotado para desemborrachamento da pista. Com resultados de ensaios de campo, o autor determinou o International Friction Index (IFI), uma escala de referência internacional visando à avaliação global da superfície de um pavimento. Os resultados obtidos por Silva (2008) mostram que as condições de atrito melhoraram sobremaneira, apresentando resultados até cinco vezes superiores às condições antes da limpeza. O autor analisou também os resultados do ensaio de atrito dinâmico utilizando o equipamento MuMeter, no qual indicou uma necessidade de desemborrachamento com período máximo de seis meses entre intervenções. O procedimento foi aplicado no planejamento das manutenções realizadas pela Infraero. Seguindo a linha de pesquisa em aeródromos, Araújo (2009) avaliou se as especificações utilizadas atualmente no país para a confecção de misturas asfálticas a serem empregadas em pistas aeroportuárias conduzem a revestimentos que atendam às características desejadas de drenabilidade e atrito, além de possuírem propriedades mecânicas adequadas para resistir aos esforços advindos do tráfego. Para tanto, a autora realizou ensaios em placas de concreto asfáltico produzidas em laboratório, conforme demonstrado na Figura 12. Em seguida, as características funcionais e mecânicas das misturas asfálticas foram estudadas utilizando ensaios de mancha de areia, permeabilidade, atrito estático (Pêndulo Britânico, resistência à tração, módulo de resiliência e ensaio de fadiga por tração indireta. Figura 12 – Produção das placas de concreto asfáltico (Araújo, 2009). 306 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Além dos ensaios funcionais e mecânicos, Araújo (2009) realizou uma reavaliação do dimensionamento do pavimento do Aeroporto Internacional de Brasília utilizando o software FAARFIELD, disponibilizado pela Federal Aviation Administration – FAA. Para melhor representar o comportamento mecânico das camadas de base e sub-base, a autora procurou levar em consideração o efeito do confinamento nessas camadas por meio de um processo iterativo. Diante dos resultados obtidos, constatou-se que o fator de segurança em relação ao critério de ruptura do subleito está adequado, ao passo que, em relação ao critério de ruptura por fadiga do revestimento asfáltico, o pavimento apresentará ruptura em aproximadamente oito anos. A autora ressalta, entretanto, que de fato o projeto prevê uma reavaliação e reforço da pista após dez anos de serviço. Um aspecto importante presente no trabalho de Araújo (2009) mostra que a aeronave de projeto considerada no dimensionamento original não se mostrou como a mais crítica quando da utilização do software FAARFIELD, que possui como base os conceitos mecanísticos. 3 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os trabalhos aqui apresentados de forma resumida contribuíram significativamente para o desenvolvimento do Grupo de Pós-Graduação em Geotecnia/ UnB. Obviamente, muitos outros virão. Atualmente, encontram-se em desenvolvimento diversas pesquisas voltadas para o estudo dos materiais que compõem o revestimento asfáltico, assim como trabalhos voltados para a utilização da Mecânica dos Pavimentos. Importante destacar, também, outras pesquisas em pavimentação desenvolvidas sob a liderança do Prof. José Camapum de Carvalho, embora estas tenham o foco mais voltado para o uso de solos tropicais finos, materiais alternativos e melhoria de solos para uso em camadas de pavimento. Ressalta-se, por fim, o esforço coletivo de professores, técnicos e alunos para o desenvolvimento dos trabalhos e das produções técnico-científicas desenvolvidas na Engenharia de Pavimentação. REFERÊNCIAS ARAÚJO, J. L. (2009). Características Funcionais e Mecânicas de Misturas Asfálticas para Revestimento de Pavimentos Aeroportuários. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 147 p. DANTAS NETO, S. A. (2001). Materiais Asfálticos Alternativos para Uso na Pavimentação. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 170 p. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 307 DANTAS NETO (2004). Avaliação das Propriedades dos Ligantes e das Misturas Asfálticas Modificadas com Borracha Granulada de Pneus Usados. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 265 p. DELLABIANCA, L. M. A. (2004). Estudo do Comportamento de Material Fresado de Revestimento Asfáltico Visando sua Aplicação em Reciclagem de Pavimentos. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 110 p. FALCÃO, P. R. F. (2003). Aplicação de Misturas Betuminosas em Barragens de Terra e Enrocamento. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Publicação G.DM-034A/96, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 106 p. FALCÃO, P.R.F. (2007). Estudo das Propriedades Mecânicas e Hidráulicas de ConcretosAsfálticos para Aplicação em Barragens. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 161 p. JUNQUEIRA, F. F. (1994). Caracterização de Calcários do Distrito Federal e Avaliação de seu Potencial para Uso na Pavimentação. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 104 p. MELLO, L. G. R.. (2008). O Estudo do Dano em Meio Contínuo no Estudo da Fadiga em Misturas Asfálticas. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 263 p. MONTEIRO, S. A. (1996). Análise Comparativa entre Metodologias de Dimensionamento de Reforço de Pavimento Flexíveis. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 133 p. MONTEIRO, S. A. (2003). Aplicação da Mecânica da Fratura no Estudo do Trincamento no Concreto Asfáltico Utilizado em Pavimentos Rodoviários. Tese (Doutorado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 119 p. OLIVEIRA, C. G. M. (2003). Estudo de Propriedades Mecânicas e Hidráulicas do Concreto Asfáltico Drenante. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 87 p. RAMOS, P. P. M. (2009). Análise de Deformações Transientes em Misturas Asfálticas Aplicadas como Elemento Impermeabilizante. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. ROSENO, J. L. (2005). Avaliação de uma Mistura Asfáltica Porosa com Agregados Calcários e Asfalto-borracha. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 149 p. 308 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB SANTOS, M. G. R. (2007). Estudo do Comportamento de Agregado Sintético de Argila em Revestimentos na Pavimentação para Manaus. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 102 p. Capítulo 14 Fundações, contenções e ensaios de campo: Experiência recente no Programa Pós-Graduação em Geotecnia da UnB Renato P. Cunha RESUMO Este artigo tem a intenção de demonstrar, com base em fatos, nomes e resultados, um breve histórico do desenvolvimento e da importância da área de fundações, contenções e ensaios de campo no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, ao longo dos últimos anos, com maior ênfase às pesquisas realizadas e coordenadas recentemente pelo Professor Renato Pinto da Cunha, Professor associado deste Programa e do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Universidade de Brasília (UnB). O trabalho é dividido em várias seções específicas, de forma a apresentar ao leitor um breve histórico do ganho de conhecimento nesta área nos seus anos mais recentes, a sua importância, o escopo do estudo realizado desde seus primórdios (em 1995) e as possíveis perspectivas futuras. Este trabalho soma-se a outros realizados por colegas Professores e Pesquisadores da UnB por ocasião da comemoração dos 20 anos de existência do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. 1 IMPORTÂNCIA DO ASSUNTO A Geotecnia tem se expandido consideravelmente no panorama mundial. O desafio provocado pela necessidade de se executar obras de engenharia civil cada vez mais arrojadas e econômicas tem forçado o desenvolvimento de pesquisas e a criação de novas técnicas que atendam às demandas do mundo moderno. Também pode ser citada a necessidade de se encontrarem soluções para enfrentar os desafios impostos pelo crescimento, quase sempre desordenado, dos grandes centros urbanos. Exemplos claros disso advêm da necessidade que o país tem em construir obras como metrôs, pontes, rodovias, viadutos, prédios com diversos níveis de subsolos para otimização de espaco e edifícios com fundações que requerem capacidade de carga cada vez mais elevadas, em uma busca natural de se equacionar a relação benefício versus custos em níveis adequados. 310 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Problemas geotécnicos associados a escavações em materiais problemáticos (solos colapsíveis e expansivos por exemplo), avaliação de riscos associados à previsão de escorregamentos de maciços em função de fatores sazonais, reforço de fundações em estruturas danificadas ou sujeitas a modificações substanciais em sua superestrutura têm requerido a expertise da engenharia geotécnica no conhecimento mais profundo e realista de nossas formações do solo. Esses conhecimentos referem-se à modelagem constituiva que incorpore as particularidades dos materiais, bem como ao desenvolvimento e à disponibilidade de modelos fenomenológicos, devidamente calibrados por retroanálises de ensaios de campo, laboratório e casos de obras instrumentadas. Problemas ambientais, como a percolação de poluentes no aquífero subsuperficial das grandes cidades ou de mineradoras, também são uma grande preocupação atual – preocupação crescente pela demanda de espaço, qualidade de vida e produtos industrializados e de serviços para as cidades. Tais fatores podem ser descritos como essenciais na viabilização e no suporte a projetos que objetivem crescimento econômico e melhoria das condições de vida da população. Além desses fatores, depara-se atualmente, no Brasil, com a necessidade crescente de formação de recursos humanos para o trabalho em engenharia (e no meio acadêmico) relacionado às áreas da engenharia de fundações e de contenções, ou em áreas associadas, como no uso de ferramentas numéricas, ou na interpretação de ensaios de campo, ou na resolução de problemas ambientais. Em função disso, justifica-se a necessidade de centros de pesquisa e ensino para a formação de profissionais de engenharia e pesquisadores diretamente envolvidos no desenvolvimento regional, em termos do conhecimento local e integrado, em termos de absorção e transmissão de conhecimentos e tecnologia gerados do país e no exterior, para solução dos problemas decorrentes desses desafios. Adicionalmente, justifica-se o empenho de pesquisa de ponta nesta e em áreas correlatas, que propiciem o progresso regional e nacional relacionado aos aspectos do projeto e do comportamento das obras civis. Nesse sentido, em particular, há uma carência regional sensível de tais centros, principalmente nas regiões Centro-Oeste e Norte do país, as quais representam o grosso (mais de 90%) dos alunos formados em nosso Programa de Pós-Graduação. Vale lembrar que, com 20% da área brasileira, o Centro-Oeste responde somente com 7% da população total do país e com cerca de somente 9% de todo o produto interno bruto (dados ABGE 2009), ou seja, tem um potencial e necessidade de crescimento enorme no contexto nacional. Como primeiro passo para suprir essa necessidade, o Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da Faculdade de Tecnologia da Universidade de Brasília (UnB) implantou, em 1989, o Curso de Mestrado em Geotecnia e, em 1996, o Curso de Doutorado em Geotecnia, os quais atualmente compõem o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. Hoje, de todos os cursos de pós‑graduação em Geotecnia do país, o da UnB se carateriza pela atuação dire- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 311 ta na área de influência das regiões Centro-Oeste e Norte. Logo, espera-se que este Programa, através de seus professores, alunos e funcionários, possa equacionar a contento e pesquisar os problemas regionais de sua área de influência e até estender os conhecimentos e a tecnologia gerada à solução de problemas nacionais de geotecnia. Com esta importância, portanto, deve ser considerada a contribuição deste Programa (passado/atual e futuro) na qualificação gradual e contínua de técnicos, pesquisadores e profissionais locais, bem como no entendimento e na proposição de técnicas de projeto e de execução de obras de engenharia nas áreas principais de fundação e contenção, que sejam práticas, inovadoras e econômicas. Uma das maiores carências regionais é a falta de conhecimentos apropriados acerca do real comportamento de fundações rasas e profundas assentes nos depósitos geotécnicos do Distrito Federal e adjacências, levando em conta as condições normais de instalação e outros distintos aspectos característicos da vida útil dessas mesmas fundações, tais como o colapso do solo devido a molhagem, os esforços dinâmicos e laterais, o efeito da sucção do solo e a interação solo-estrutura (ou fundação-estrutura) que altera consideravelmente os esforços e os deslocamentos das partes envolvidas nesse sistema, entre outros aspectos. Apesar do avanço dos últimos anos, verifica-se ainda uma carência de conhecimento de fatores que, direta ou indiretamente, relacionam-se com a concepção e o dimensionamento (econômico) das fundações locais, como, por exemplo, a real distribuição de tensões ao longo do fuste e da base das fundações profundas, o efeito de interação solo-estrutura na redistribuição de cargas em grupos de fundação carregados vertical ou horizontalmente, a problemática da avaliação estrutural e geotécnica de grupos de fundações com estacas defeituosas, além de sua determinação (distribuição de esforços) e dimensionamento de reforço pós-construção. Constatou-se, por exemplo, um elevado conservadorismo em muitos dos procedimentos “tradicionais” de cálculo de fundações e contenções de parede de estacas justapostas assentes em distintos estratos geotécnicos, realizados sob distintas metodologias executivas. Nota-se, também, em nível nacional, a falta de uma metodologia de avaliação de grupos de estacas sujeitos a problemas de estacas defeituosas – e seu reforço em campo. Além disso, novos desafios surgem, como a utilização de materiais novos (geosintéticos) para o reforço de solo e uso como fundação, ou a carência de cálculo e metodologia para base de aerogeradores eólicos, que geram energia “limpa” ecologicamente. Esses desafios devem ser enfrentados. O impacto (em termos econômicos e de confiabilidade) de novas metodologias de cálculo ou de novas soluções (como solo cimento, radier/bloco estaqueado, reforço de grupos defeituosos, carregamento lateral de blocos, etc.) para o projeto de fundações local e regional tem se mostrado promissor. Em particular, o melhor conhecimento de novas metodologias de cálculo de fundações baseadas em avançados ensaios de campo tem uso ainda limitado no Brasil, como o ensaio penetrométrico (CPT), o ensaio dilatométrico (DMT), o ensaio 312 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB pressiométrico (PMT) e o próprio ensaio SPT, levando-se em conta a medição de energia e do torque (SPTT). Tais ensaios têm cada vez mais sido utilizados em situações distintas às quais foram inicialmente projetados, como, por exemplo, em solos compactados (barragens convencionais ou de rejeito), ou em solos granulares compactados, usados no melhoramento de base de fundações superficiais de estruturas multifamiliares (já adotados corriqueiramente em partes do Nordeste Brasileiro), ou em fundações “envelopadas” com geosintético, como já mencionado. Dessa forma, torna-se igualmente importante a interação com colegas e instituições que militam nessas linhas de pesquisa, de forma a ampliar o escopo do futuro da área em temas de maior relevância regional e nacional. A ampliação é benéfica e necessária, como já delineado anteriormente, e vem ocorrendo em face do constante engrandecimento do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB (em termos de contatos pessoais e interinstitucionais e importância regional) e em face da constante mudança de necessidades e prioridades do país, particularmente na área energética, onde mais recentemente se dá ênfase à construção de novas barragens de solo compactado em distintas regiões do Centro-Oeste Brasileiro e outras partes do país. Vale ainda ressaltar que se iniciou, ao longo dos último anos, especificamente em termos de solos não saturados, a instalação de instrumentação para medições in loco da sucção dos solos locais, com a utilização de técnicas de papel filtro e uso de tensiômetros, ou mesmo através de correlações com a curva característica determinada em panela de pressão de Richards em laboratório. Apesar das limitações inerentes, resultados iniciais têm demonstrado a certeza do avanço obtido com o constante uso de retroanálises de obras reais, em particular estruturas de contenção do tipo estacas justapostas. De fato, inúmeras obras desse tipo em Brasília já foram dimensionadas com o avanço aqui adquirido, levando à grande economia em termos de seção de estaca e profundidade de ficha. É claro, porém, que esses projetos levam em conta a temporariedade da obra (em geral provisórias para execução da edificação) e a presença de uma marcante época de seca com elevados níveis de sucção na cidade. Urge, no entanto, a necessidade do avanço da instrumentação, tanto em nível de medição de sucção do solo, como em termos de esforços e tensões em estruturas (alvenaria, concreto, aço ou solo-cimento) diretamente apoiadas e/ou adjacentes a maciços metastáveis/colapsíveis, por meio do uso de extensometria, por exemplo, adequadamente dispostos em interfaces. Cabe também ressaltar que ainda existe campo para a experimentação e a pesquisa voltados à aplicação e ao desenvolvimento de outras ferramentas de projeto e verificação da qualidade das contenções e fundações profundas locais, como as metodologias dinâmicas de análise da cravabilidade e da integridade de fundações profundas cravadas ou moldadas in loco, utilizando-se de ensaios dinâmicos que se baseiam em ondas acústicas, tal qual o Ensaio de Integridade Física de Estacas (PIT). É igualmente lógico que os problemas acima não são independentes, mas, sim, interconectados à estrutura, à morfologia e ao comportamento dos solos Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 313 residuais e transportados da região em particular (e de certa forma ainda não plenamente conhecida), relacionados ao comportamento não saturado e à sucção desses materiais. O comportamento dos solos tropicais não saturados torna-se complexo na medida em que a cada estágio de desagregação propiciado pelos esforços aplicados ou pela simples alteração do estado de tensões tem-se um novo material e, portanto, uma nova curva característica a interferir nesse comportamento. Portanto, os projetos nesta área, aqui relatados, não poderiam deixar de contar com um suporte laboratorial de conhecimento dos aspectos da não saturação dos materiais regionais, como suas curvas características e seu comportamento tensão-deformação sob distintos aspectos de sucção – dados que já vêm sendo adquiridos, direta ou indiretamente, via pesquisas correlatas de colegas do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB ou de instituições conveniadas a este Programa (vide, por exemplo, ensaios que estão sendo realizados no laboratório de Furnas, em Goiânia, GO). Além dos aspectos previamente relatados, pode-se afirmar que a avaliação da qualidade do lençol freático tem se tornado cada vez mais importante em nível industrial e doméstico, em especial quando refugos industriais, de barragens de rejeito e outros são colocados em contato com o solo. O método de determinação da contaminação de percolantes hidráulicos por avaliação do grau de resistividade elétrica do solo contaminado tem sido largamente utilizado por diversas instituições de excelência no Brasil e no mundo. Faz por intermédio do uso de um Cone de Resistividade (RCPT), cuja operação em campo muito se assemelha à do Cone Penetrométrico convencional (CPT). Os contaminantes influenciam a resistividade geral do solo, porque eles mudam as propriedades elétricas da água existente nos poros do solo. A resistividade elétrica decrescerá com o aumento de sólidos dissolvidos e crescerá com a presença de contaminantes “isolantes” que reduzem a condutividade elétrica. Em várias ocasiões, os locais contaminados possuem uma mistura de contaminantes miscíveis (em geral “não isolantes”) e não miscíveis em água (em geral isolantes). Tais misturas produzirão plumas contaminadas de água/contaminante altamente condúticas, já que a influência dos contaminantes condutíveis (ou não isolantes) é maior que a influência dos contaminantes não condutíveis (ou isolantes). As origens das plumas de contaminantes podem ser lodos ácidos originários de áreas sujeitas a atividades petrolíferas, aterros sanitários e percolante ácido de barragens de rejeito, em especial de rejeitos de ouro (cianeto) e fosfato. Os métodos superficiais são comumente utilizados para se medir a resistividade do solo, mas requerem pelo menos de 5 a 10% de contraste entre o solo contaminado e o não contaminado para mapear, com sucesso, a pluma de contaminação, assumindo que não há variação litológica do material em estudo. O uso do cone de resistividade é particularmente interessante nessas áreas, já que esse cone pode medir a resistividade com um alto grau de resolução (± 1%) e, ao mesmo tempo, detectar com precisão mudanças litológicas do depósito em estudo. 314 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 2 HISTÓRICO E ANTENCEDENTES Com base nos aspectos previamente relatados, a pesquisa referente à área de Fundações, Contenções e Ensaios de Campo tem se direcionado e mudado de escopo (parcial e continuamente) ao longo dos anos, no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB. A pesquisa nesta área tendo sido escalonada sob distintos níveis, com trabalhos de Projeto Final Supervisionado de graduação em Engenharia Civil, Iniciação Científica, Dissertações de Mestrado e Teses de Doutorado, além de outros projetos de pesquisa junto a órgãos governamentais de pesquisa e fomento. Dentre os inúmeros sucessos conseguidos ao longo desses últimos anos, que foram igualmente advindos da ativa coparticipação de vários colegas professores, funcionários e alunos do Departamento, além de profissionais/firmas da indústria local, podem ser citados os que seguem. 1. Estabelecimento, em 1995, de um ativo “Grupo de Fundações e Ensaios de Campo”, composto por professores, alunos e funcionários do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia. 2. Estabelecimento, a partir de 1996, do primeiro1 Campo Experimental de Provas de Carga e Ensaios Geotécnicos do Distrito Federal, localizado no Campus da Universidade de Brasília, onde provas de carga e ensaios de campo experimentais são realizados à luz do necessário rigor científico e de onde se extraem blocos indeformados de solo para diversos ensaios laboratoriais no nosso e em outros laboratórios geotécnicos/geológicos da região (mais detalhes desse Campo são apresentados em Cavalcante et al., 2007). 3. Aquisição, a partir de 1996, de equipamentos até então não disponíveis no Distrito Federal, tais quais o dilatômetro de Marchetti, o pressiômetro de Ménard e de Briaud, o ensaio de integridade de estacas PIT, o granulômetro de raio-x, o triaxial automatizado, entre outros. 4. Realização de provas de carga em condições “controladas” no Campo Experimental com fundações profundas executadas sob distintas metodologias executivas (escavadas, cravadas, raiz, strauss, apiloada, etc.) e sob distintas condições de carregamento (vertical, horizontal, com e sem inundação do solo ao redor). 5. Realização de provas de carga pioneiras no Distrito Federal, em que as fundações profundas foram adequadamente instrumentadas ao longo de seu fuste com a colagem de strain-gauges em barras de aço de sua armação, sob distintas metodologias executivas. 6. Realização de pioneiros ensaios avançados de campo no Distrito Federal e no Campo Experimental, como o ensaio de integridade de estaca (PIT), o 1 Organizado e controlado sob aspectos acadêmicos de rigor e excelência pelo PPGraduação em Geotecnia Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 315 ensaio penetrométrico (CPT) convencional e dinâmico (DPL), o ensaio dilatométrico de Ménard (DMT) e Briaud (PENCEL), o ensaio pressiométrico de Ménard (PMT), a medição do torque no SPT e o ensaio dinâmico do tipo “Panda”. 7. Realização de pioneiros ensaios laboratoriais em amostras indeformadas de substratos terrosos, tropicais e não saturados do Distrito Federal, tendo sido obtidas curvas características e efetuadas medições in situ de sucção matricial, por meio de tensiometria e outros dados desses mesmos depósitos. 8. Melhor conhecimento do comportamento (diferenciado) de fundações profundas tipo estaca e tipo “tubulão” com abertura manual de base, construídas sob distintas metodologias executivas e assentes no solo tropical, não saturado do Distrito Federal, quando sujeitas a esforços verticais e horizontais. 9. Melhor conhecimento do comportamento de grupos de fundações profundas, tipo hélice contínua, em bloco com 1, 2 e 3 estacas, quando sujeitos a esforços verticais e, mais recentemente (em andamento), quando sujeitos a esforços horizontais. 10. Melhor conhecimento das novas alternativas de projeto de fundações profundas sob o foco de metodologias avançadas de ensaios de campo e laboratório, em particular metodologias numéricas de análise, principalmente para fundações tipo sapatas/blocos estaqueados. 11. Melhor conhecimento do efeito interação solo-estrutura, via redistribuição de cargas em edifícios convencionais construídos na região e, consequentemente, nas fundações ali instaladas. Esse conhecimento tem se dado pela instalação de barras instrumentadas em pilares e blocos de fundação de edifícios da região, além do controle topográfico de recalque dos pilares e das fundações e análises numéricas com programas tridimensionais na área estrutural (TQS) e geotécnica (PLAXIS 3D). 12. Melhor conhecimento de métodos dinâmicos de avaliação do comportamento de fundações cravadas, como o ensaio de integridade de estacas PIT e o PDA, em estacas do Campo Experimental da UnB, em outros lugares do Distrito Federal e até fora deste. 13. Avanços no dimensionamento de estruturas de contenção compostas por estacas justapostas para uso em escavações no solo poroso colapsível do Distrito Federal, por meio da simulação numérica de obras e trechos distintos da mesma obra, com estacas previamente instrumentadas (com barras instaladas antes da escavação) e, mais recentemente, com o uso de “inclinômetros” na avaliação da execução de obras correntes do Distrito Federal. A área de Geotecnia tem atuado bastante na análise crítica das metodologias de projeto de escavações e contenções, ora em prática, com a inclusão da consideração da condição não saturada do solo. Resultados obtidos têm demonstrado uma redução substancial nos custos até então praticados por firmas especializadas locais. 14. Esforços no sentido do aparelhamento da UnB para ensaios avançados de campo na área ambiental. Neste sentido, vale a pena serem aqui citados os 316 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ensaios pioneiros de ponteira resistiva em áreas contaminadas do Distrito Federal. A ênfase inicial esteve voltada para áreas sujeitas à eventual poluição por efluentes oriundos do tratamento do esgoto doméstico (cujo subproduto se dá por pastilhas ressecadas de lodo biosólido, na ETE Asa Norte da CAESB). Recentemente, voltou-se a materiais oriundos de processos mineradores, como barragens de rejeito de ouro ou fosfato – em trabalho, infelizmente, inacabado até o momento e ainda sem continuação. 15. Esforços no sentido de maior interação com profissionais de instituições acadêmicas de relevância nacional e estrangeiras, que vêm sendo gradativamente convidados a visitar o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB para ministrar cursos nos quais a ênfase é voltada a assuntos pertinentes ao projeto ora em questão. Sem dúvida, o sucesso parcial acima alcançado não teria sido possível sem o fundamental e generoso apoio de diversas instituições governamentais de apoio e amparo à pesquisa, entre as quais podem ser citadas a FAP-DF, o CNPq, a FINEP, a FINATEC e a CAPES, que, por meio das bolsas de pesquisa a alunos e professores deste Programa de Pós-Graduação, e dos projetos de pesquisa aprovados, dentre outros, proipiciaram o início e o atual desenvolvimento de pesquisas na área de Fundações, Contenções e Ensaios de Campo da UnB desde 1996. 3 INVESTIMENTOS DIRETOS E INDIRETOS Para o desenvolvimento das pesquisas nesta área específica do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, já foram feitos muitos investimentos diretos ou não em equipamentos de laboratório e de campo, com o apoio da Fundação de Apoio e Amparo a Pesquisa do Distrito Federal – FAP-DF, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico – CNPq (Edital Universal e outros apoios), da Financiadora de Estudos e Projetos - FINEP (CT-Infra), da Fundação de Empreendimentos Científicos vinculada à UnB-FINATEC, além de empresas locais, dentre as quais se destacam as empresas EMBRE, WRJ, SOLTEC, REFORSOLO, MEKSOL, SETE, SULAMERICANA, ENGESOL, SONDA, INFRASOLO e muitas outras que, por um descuido (e dificuldade de lembrança) do autor, não foram aqui citadas. Logo, ao longo de todos os Projetos Integrados de Pesquisa passados do CNPq, relatados no tópico anterior, houve a participação direta e indireta de inúmeros alunos em nível de D.Sc., M.Sc., I.C., Projeto Final e técnicos administrativos e de apoio. Como principais resultados alcançados até então, podem ser citados diversos produtos tecnológicos e técnicas de projeto e execução já implantadas no Distrito Federal, além do que vem sendo publicado em trabalhos em congressos e revistas nacionais e internacionais de geotecnia. Na área particular de atuação em Fundações e Ensaios de campo, como já relatado, foi implantada, com o apoio de várias empresas regionais, um Campo Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 317 Experimental de Provas de Carga e Ensaios de Campo no Campus da Universidade de Brasília. Nesse local, já foram executados inúmeros ensaios experimentais e laboratoriais (com amostras indeformadas e deformadas), dentre os quais se destacam provas de carga em verdadeira grandeza em estacas tipo pré-moldada cravada, strauss, injetada, escavada, tubulão e apiloada, provas de carga em grupos de estacas de pequenas dimensões, sapatas isoladas e blocos estaqueados de pequenas dimensões, provas de carga em grupos de fundação tipo hélice contínua, provas de carga em distintas fundações na direção horizontal e vertical com o solo na condição natural e inundado, ensaios convencionais e avançados de campo como o SPT com e sem medição de torque, o cone penetrométrico CPT, o cone dinâmico DPL, o dilatômetro de Marchetti, o pressiômetro de Ménard convencional MPM e o de Briaud de pequenas dimensões PENCEL, o ensaio de integridade de estacas e a monitoração dinâmica da cravação de estacas pré-moldadas, além da retirada de blocos e ensaios convencionais e avançados de laboratório, como ensaios de caracterização, limites de Atterberg, duplos oedométricos, triaxiais drenados e não drenados, triaxiais K0, cisalhamento direto, panela de Richarts para determinação da curva característica, além de outros em associação com o Instituto de Geologia (refração de raio-x, etc). Outros locais em passado recente também foram objetos de estudo, além do Campo Experimental da Universidade de Brasília. Esses locais contam com solo poroso não saturado típico do Centro-Oeste brasileiro, nos quais se realizaram abundantes campanhas de ensaios de campo e laboratório. Neste caso, citam-se aqui os locais de ensaios da 912 Sul e o local ensaiado em frente à obra de ampliação do Centro de Convenções Ulisses Guimarães (Plano Piloto de Brasília), entre inúmeros outros. Dessa forma, o estudo na área não se limita ao Campo Experimental da UnB. No caso do estudo de contenções em solo poroso, por exemplo, citam-se outras áreas do Distrito Federal – dentre as quais as obras na Asa Sul (Setor Bancário Sul), no Setor de Indústrias Gráficas, nas Águas Claras e na Asa Norte, além de inúmeras obras que correntemente vêm sendo avaliadas no Distrito Federal e em seu entorno por meio de provas de carga e monitoramento de estacas. Em algumas dessas obras, foi também realizada a instrumentação de distintos trechos de cortinas de estacas justapostas, cujos dados servirão para pesquisas em andamento e futuras do Programa de Pós-Graduação. Ressalta-se que a maioria dos trabalhos que têm sido desenvolvidos no Programa considera a mecânica dos solos em sua forma generalizada, ou seja, consideram as condições saturada e não saturada do solo e obedecem à estratigrafia dos perfis existentes, às variações sazonais típicas da região e sua influência no comportamento mecânico, compressibilidade e resistência ao cisalhamento das formações que caracterizam o solo do Distrito Federal. Enfatiza-se também o grande esforço que tem sido empenhado na compreensão adequada do comportameno metastável/colapsível da argila siltosa porosa que transverte considerável parte da região Central do Brasil, o que também se verifica nas regiões Sul e Nordeste do país. 318 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Dessa forma, a análise do comportamento do solo local e das distintas fundações e contenções ali implantadas foi e está sendo realizada com base em resultados de ensaios de laboratório, de campo e de técnicas numéricas avançadas presentes em programas computacionais, adotados na maioria das Teses de Doutorado e Dissertações de Mestrado do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB. Entre os programas, destacam‑se os códigos computacionas FLAC, PLAXIS 2D e 3D, SIGMA/W, SEEP/W, SLOPE/W, comercialmente disponíveis, e os programas COUPSO e ALLFINE, desenvolvidos por professores e alunos da Universidade de Brasília, os quais, em sua maioria, permitem consideração da incorporação de parâmetros não saturados do solo. Outros códigos computacionais específicos, como o DEFPIG (grupo convencional de estacas em meio elástico estratificado), o GARP Versão 8, agora para windows XP (radier estaqueado com carregamento vertical e momento – V, M), o APRAF e APRAFR (radier estaqueado com carregamento completo – V, H e M) e o PIRAF (piled raft), são utilizados em associação com o Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Sydney. Adicionalmente, cita-se o programa ESTAQ (desenvolvido na UnB), que permite a análise do comportamento de fundações e estruturas de contenção de estacas justapostas com o método da Extremidade Livre, quando solicitadas lateralmente, e o programa GEOFINE (GEO5) obtido através de doação da empresa FINE Engineering Sofware Ltd. da República Tcheca. Este último programa possui vários módulos, dentro os quais se destacam os módulos para uso em fundações (verificação da curva carga-recalque e de transferência de carga), o módulo para uso em cortinas de estacas justapostas (verificação de estabilidade, momentos e cortantes mobilizados) e o módulo de elementos finitos bidimensionais. Finalmente, ressalta-se que o programa computacional CESAR-LCPC, Finite Element Code for Civil Engineering Project Analysis, tridimensional, para análises de problemas de interação solo-estrutura (fundações convencionais, radier estaqueados e outros problemas geotécnicos), foi finalmente comprado em 2008 pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia via recursos CAPES. Esse programa será usado em conjunto com o programa GARP em blocos com estacas defeituosas em pesquisas futuras e atuais neste assunto (na UnB e também via teses co-orientadas, em outros locais, dos quais se cita a UFPe). 4 APOIO LOGÍSTICO As pesquisas na área de Fundações e Ensaios de Campo ão seriam possíveis sem um apoio logístico em termos de infraestrutura, pessoal e equipamentos adequados. Como já delineado anteriormente, o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia tem buscado apoio junto aos órgãos de fomento governamentais e junto a empresas públicas e privadas regionais para gerar a infraestrutura necessária em termos de instalações e equipamentos adequados ao bom desempenho Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 319 desta área. O apoio de outras instituições, como as já citadas, também será fundamental para o sucesso de trabalhos futuros neste assunto. De forma apenas ilustrativa e geral, são listados abaixo os principais equipamentos já disponíveis (adquiridos pelo somatório de esforços de todos os professores e alunos da UnB) e já em plena operacionalidade dentro do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. LABORATÓRIO • Prensas triaxiais automatizada e convencional; • Oedômetros com sucção controlada e convencional; • Cisalhamento direto com automatização; • Permeâmetros de carga variável e constante; • Compactação mecanizada e CBR; • Granulômetro a laser; • Câmara de pressão e balança de precisão para determinação da curva característica de solos em trajetórias de molhagem e secagem; • Equipamentos e acessórios para ensaios convencionais de caracterização; • Câmara de calibração com mesa leitora e placas e estacas metálicas plenamente instrumentadas (topo, base) para modelagem em pequena escala da fundação, com chuveiramento de areia e simulação de condições distintas de carga e defeito. CAMPO • Pressiômetros de Briaud (pequena dimensão); • Dilatômetro de Marchetti; • Cone Dinâmico; • Ensaio de Panda, dinâmico; • Células de carga, macacos, placas, vigas de reação e demais acessórios para execução de provas de carga em fundações superficiais e profundas; • Demais acessórios para instrumentação de fundações em pequena dimensão e verdadeira grandeza; • Caminhão com munck para transporte e reação em provas de carga sobre placa (pertencente ao Departamento de Engenharia Civil e Ambiental da UnB); • Sonda rotativa e tripé e acessórios para SPT; • Torquímetro para SPTT; • Piezocone (em cooperação com a firma local WRJ); • Ensaio de integridade de estacas (PIT); • Cone Resistivo (ponteira resistiva); • Sistema de Cravação hidráulico portátil, com âncoras de fixação. Cabe ainda destacar a existência do Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília e do Campo de Ensaios e Testes de Furnas, localizado em Goiânia, GO. 320 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 5 ESCOPO ATUAL E FUTURO DAS PESQUISAS Nesta linha de trabalho, busca-se a melhora do conhecimento do comportamento do solo local e das fundações e contenções ali implantadas, de forma a se ajustarem, para o Distrito Federal e outros locais (quando possível), os métodos de projeto de fundações convencionais e não convencionais (bloco / radier estaqueado) às diversas técnicas de execução de fundações profundas, além de se conhecer melhor o comportamento de contenções típicas para a região, como as estacas justapostas ou estacas “prancha” – ou seja, sua influência pela variação sazonal da umidade do solo e sua filosofia de projeto otimizado. Procuram-se, ainda, ajustar regionalmente correlações e interpretações empíricas e racionais aplicadas a ensaios de campo mais sofisticados (em particular em solos compactados) com a adicional realização de ensaios “calibradores” em laboratório para a nova situação geotécnica do solo in situ, ou avaliação de novas soluções de fundação que já estão na prática corrente do Distrito Federal. Finalmente, procura-se avaliar o problema de blocos com estacas defeituosas e sua avaliação numérica e prática, para uso em projeto convencional – este é um problema particular do estudo de radier estaqueado, em que se deve conhecer a nova configuração de esforços no grupo de estacas com a presença de estacas defeituosas e sua correção, via introdução de estacas de reforço. Esta nova área de pesquisa continua, portanto, na linha de estudos de radier estaqueados, já abarcada no passado. Vale lembrar que esta linha de trabalho é complementada por esforços adicionais de outros professores e colegas do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, que tem interface de estudo com a área aqui citada e que, igualmente, vem trazendo grandes benefícios à região em termos de ganhos de conhecimento para problemas de fundação, contenção e ensaios de campo especiais. Em termos resumidos, os estudos previstos no âmbito da linha de pesquisa coordenada pelo Professor Renato Cunha para os próximos anos consistirão dos vieses a seguir apresentados. a) Viés predominante de fundações • Avaliação do comportamento de fundações em grupo de estacas convencionais ou do tipo “radier estaqueado”, com e sem defeito em uma ou mais estacas, com metodologia de avaliação numérica e simulação experimental, visando gerar conhecimentos para o projeto e para a eventual remediação com a inclusão de estacas adicionais no bloco. A avaliação se dará por meio de análises numéricas com programas avançados de engenharia, considerando-se a condição múltipla de carregamento (vertical, horizontal e momentos) e provas de carga em modelos reduzidos de laboratório de sapata/bloco estaqueado – levando em conta efeitos de saturação ou não do solo circunvizinho. Para esse aspecto em particular, será utilizado o equipamento adquirido através do edital CNPq Universal 02/2006 intitulado “Avaliação Numérica do Comportamento de Radiers Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 321 Estaqueados via Provas de Carga em Modelo Reduzido”, que terminou em março de 2009, mas que permitiu a aquisição de material e know-how para execução de ensaios em pequena dimensão de grupos estaqueados ou fundações isoladas em solo arenoso ou colapsível. Em relação aos programas numéricos, são novamente citados aqui os já existentes da Universidade de Sydney (DEFPIG, GARP, APRAF) e o novo programa de elementos finitos tridimensionais recentemente adquirido (LCPC César), que, sem dúvida, serão aproveitados no futuro Projeto de Pesquisa. • Definição e verificação de métodos de projeto de fundações isoladas ou em grupo para a região, carregadas vertical ou horizontalmente, fundamentada em provas de cargas instrumentadas ou não (muitas já existentes), e ensaios de campo avançados, como o SPTT, CPT, DMT, PMT (também já realizados, em sua maioria), além de ensaios de laboratório. • Extensão do tópico anterior com a avaliação experimental de novas soluções pioneiras de fundação que começam a ser utilizadas no Brasil e no Centro-Oeste em particular, como é o caso das estacas do tipo holow auger e do tipo raiz ou hélice contínua. b) Viés predominante de contenções • Otimização de procedimentos tradicionais da análise (numérica, convencional e experimental) da estabilidade e estabilização, por meio de ensaios de laboratório e campo, e da instrumentação in situ, de estruturas de contenção em cortinas de estacas justapostas, escavadas e assentes no solo poroso do Distrito Federal. • Avaliação de alternativas de projeto para essas estruturas de contenção, via utilização de ensaios avançados de campo, como o Dilatômetro de Marchetti (DMT). • Avaliação de alternativas avançadas de análise para a simulação dessas estruturas em solos meta-estáveis e colapsíveis do Centro-Oeste, utilizando-se de modelos avançados de solo e da interação vigente entre a Universidade de Brasília e Instituições parceiras (entre as quais as Universidades da República Tcheca aqui previamente mencionada). c) Viés predominante de ensaios de campo • Avaliação do desempenho de ensaios de campo em aterros compactados de barragens de terra para a estimativa de parâmetros geotécnicos e previsão de comportamento desses aterros. Este tópico foi proposto por FURNAS Centrais Elétricas S.A. e tem o apoio da Universidade Federal de Goiás. Nele, buscar-se-á conciliar o emprego de métodos diretos e semidiretos com ensaios de laboratório de forma a melhor caracterizar o desempenho de aterros compactados em barragens de terra. • Utilização complementar dos ensaios de campo no desenvolvimento e em parte das pesquisas mencionadas nos itens anteriores (a e b), ou seja, 322 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB utilização desses ensaios como “ferramentas de análise” para o entendimento, auxílio à simulação e interpretação do comportamento das estruturas de engenharia aqui estudadas, particularmente em relação aos aspectos geotécnicos do comportamento das fundações e das estruturas de contenção. 6 CONSIDERAÇÕES FINAIS As informações contidas neste artigo tentam delinear, aproximadamente, o histórico e a continuidade do trabalho que tem sido desenvolvido até o presente momento (2009) pelo Grupo de Fundações, Contenções e Ensaios de Campo da área de Geotecnia da Universidade de Brasília, coordenado pelo Professor Renato P. Cunha em conjunto com colegas e profissionais da UnB e de outras instituições já citadas. O trabalho caracteriza, de forma breve, a interdependência entre as atividades em si e os resultados atuais e passados nesta área do conhecimento, além do fundamental apoio prestado gentilmente por entidades privadas e governamentais. Nota-se que a busca incessante de soluções técnicas para os problemas geotécnicos regionais e nacionais, utilizando diretrizes básicas de catalogação e difusão de informações conforme uma metodologia científica praticada de forma adequada, tem demonstrado resultados satisfatórios e contribuído sensivelmente para as mudanças no tratamento, na disponibilidade de informações e elaboração de projetos na região central e mesmo em outras partes do nosso país. O momento atual tem se configurado pela constante luta dos participantes deste Programa de Pós-Graduação e desta linha específica de trabalho na busca de apoio financeiro e condições de trabalho para a consecução da importante etapa de instrumentação de obras de fundação e estruturas de contenção – com ou sem o aporte técnico de ensaios de campo avançados. Evidencia-se, portanto, a necessidade de que a área de Fundações e de Contenções requer esforços concentrados de apoio financeiro, logístico, acadêmico e humano, seja por meio do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB, seja por meio de seus professores, alunos e funcionários, seja por meio de firmas e instituições locais / nacionais (via apoio cooperativo), seja ainda por meio de insumos financeiros e bolsas de pesquisa das agências de fomento, para ter seus problemas regionais, e até mesmo nacionais, solucionados a contento. No trabalho, enfatizou-se a grande importância da qualificação gradual e contínua dos profissionais de engenharia que militam nesta área, de forma que o conhecimento gerado por meio das pesquisas realizadas por este Programa possa ser difundido e criar frutos no meio nacional. Pode ser finalmente afirmado que o conhecimento já adquirido tem sido fundamental para a região, principalmente pelo fato de ser diretamente transmitido às técnicas locais de projeto, de obra e de instrumentação de obras geotécnicas. Um exemplo disso é a participação do autor deste trabalho e de alguns de seus alunos e ex-alunos (vide trabalhos pio- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 323 neiros sendo executados na Universidade Federal de Goiás) em análises avançadas de fundação no Distrito Federal, em que a nova e ainda pouquíssimo utilizada (no Brasil) filosofia de “radier estaqueado” foi empregada. Pode-se finalizar enfatizando que o contínuo apoio dado pelas Agências Governamentais de Fomento, pelos Decanatos da UnB e de outras Universidades e por um número elevado de firmas particulares e instituições nacionais tem motivado o progresso da pesquisa e a difusão de conhecimentos geotécnicos no meio acadêmico e profissional regional e nacional brasileiro. O progresso atual conseguido pela UnB nesta área específica do conhecimento geotécnico se deve, sem dúvida, ao contínuo apoio de todas as instituições previamente citadas neste trabalho e à ajuda incessante e inestimável de alunos em nível de IC, MSc e DSc existentes e a serem futuramente integrados à área, de técnicos desta e de outras instituições e de colegas professores e profissionais da indústria Nacional e Internacional, muitos dos quais já citados, e de outros que, por uma eventual falha, tenham sido, por despercebimento, esquecidos. Esse apoio é, sem dúvida, agradecidamente reconhecido pelo autor deste artigo. REFERÊNCIAS Cavalcante, E.H.; Giacheti, H.L.; Danziger, F.A.B.; Coutinho R.Q.; Souza, A.; Kormann, A.C.M.; Belicanta, A.; Pinto, C.S.; Costa Branco, C.J.M.; Ferreira, C.V.; Carvalho, D.; Marinho, F.A.M.; Cintra, J.C.A.; Dourado, K.C.A.; Moraes, L.S.; Albuquerque Filho, L.H.; Almeida, M.S.S.; Gutierrez, N.H.M.; Albuquerque, P.J.R.; Chamecki, P.R.; Cunha, R.P.; Teixeira, R.S.; Menezes, S.M.; Lacerda, W.A. (2007). Campos experimentais Brasileiros. Revista Luso-brasileira Geotecnia, n. 111, Novembro, p. 99-205. Capítulo 15 Campo experimental de fundações e ensaios de campo Neusa Maria Bezerra Mota Renato P. Cunha Gérson Jacques Miranda dos Anjos Luiz Heleno Albuquerque Filho 1 INTRODUÇÃO Este capítulo descreve de forma detalhada o Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília, Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, levando-se em consideração os aspectos geológicos e geotécnicos locais. 2 LOCALIZAÇÃO E ÁREA DO CAMPO EXPERIMENTAL O Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília está localizado no Campus Universitário Darcy Ribeiro, na Asa Norte do Plano Piloto de Brasília, no Distrito Federal (Figura 1). A posição geográfica da área é determinada pelas coordenadas 15º45’58’’ de latitude sul e 47º52’21’’ de longitude oeste, com uma altitude média de 1047 m, ocupando uma área quadrangular de aproximadamente 1000 metros quadrados, nas proximidades do prédio SG 12 do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (Figura 2). Figura 1 – Localização do Campo Experimental da Universidade de Brasília (Mota, 2003). 326 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 2 – Vista aérea do Campo Experimental da Universidade de Brasília (Google Earth, 2005). 3 ORIGEM DO CAMPO EXPERIMENTAL As primeiras atividades na área do Campo Experimental foram realizadas no início da década de 90 pelo Professor Dickran Berberian (Departamento de Engenharia Civil e Ambiental) em projetos de conclusão de curso dos estudantes de engenharia civil de nossa instituição. A partir de 1995, a utilização regular do campo experimental foi incorporada a projetos de mestrado e doutorado do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, particularmente através de trabalhos desenvolvidos pelos Professores Renato Pinto da Cunha, José Camapum de Carvalho e Pedro Murrieta Santos Neto. 4 PESQUISADORES COM ATIVIDADE NO CAMPO EXPERIMENTAL O Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília tem sido utilizado em diferentes pesquisas de iniciação científica, mestrado e doutorado envolvendo a realização de provas de carga, ensaios de laboratório e de campo. Essas atividades são atualmente desenvolvidas pelos professores da área de geotecnia do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental, a saber: André Pacheco de Assis; Ennio Marques Palmeira; José Camapum de Carvalho; Luís Fernando Martins Ribeiro; Manoel Porfírio Cordão Neto; Márcio Muniz de Almeida; Newton Moreira de Souza; Pedro Murrieta Santos Neto; Renato Pinto da Cunha. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 327 5 CARACTERIZAÇÃO DO CAMPO EXPERIMENTAL 5.1 Caracterização Fisiográfica O Campo Experimental está localizado no Planalto Central do Brasil. O relevo do Distrito Federal caracteriza-se pela predominância de grandes superfícies planas e suavemente onduladas, conhecidas como chapadas, situadas acima da cota de 1000 metros. A altitude média da região situa-se em torno de 1100 m, tendo seu ponto culminante a 1349 metros localizado a noroeste da Chapada da Contagem. A área do Distrito Federal está constituída por aproximadamente 57% de terras altas que se apresentam como dispersoras das drenagens que fluem para as três mais importantes bacias fluviais do Brasil: Platina, Tocantins/Araguaia e São Francisco. Entre as bacias secundárias, destaca-se a do rio Paranoá, onde está localizado o lago artificial do Paranoá, criado juntamente com a cidade de Brasília (Novaes Pinto, 1993). 5.2 Climatologia O clima do Distrito Federal enquadra-se na classificação de Köppen (CODEPLAN, 1984), entre os tipos: tropical de savana e temperado chuvoso de inverno seco, caracterizando-se pela existência bem nítida de duas estações. O período entre maio e setembro, estação fria e seca, apresenta baixa nebulosidade, alta taxa de evaporação e baixa taxa de precipitação. No período entre os meses de outubro e abril, predomina a estação quente e chuvosa. De acordo com o INMET (2002), entre os anos de 1999 a 2001, a média total mensal de precipitação na estação seca foi de 25 mm, ao passo que na estação chuvosa foi de 161 mm, com uma concentração de 67% da precipitação anual entre os meses de novembro a março. A precipitação média anual no período foi de 1260 mm (Figura 3). Os aspectos climatológicos do Distrito Federal tornam-se relevantes em virtude da distribuição bastante irregular da precipitação ao longo do ano e das regiões, quando as menores alturas pluviométricas anuais ocorrem na porção leste e as taxas mais elevadas estão concentradas a nordeste e sudeste da região (EMBRAPA, 1978). Segundo estimativas de Coimbra (1987), aproximadamente 12% da precipitação total infiltram na zona vadosa e alcançam efetivamente a zona saturada do aqüífero. A evapotranspiração real fica em torno de 900 mm anuais. O período de maio a setembro apresenta déficit hídrico; já o período de outubro a abril apresenta superávit. A temperatura média anual varia entre os 19,8 e 23,5ºC, sendo os meses de setembro e outubro os mais quentes, com temperatura de 23,5ºC, e os meses de junho e julho os mais frios, com temperaturas de 19,8 a 21,0ºC (Figura 3). 328 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Quanto à umidade relativa do ar, os valores são da ordem de 70%, entre os meses de janeiro e abril (período de 1999 a 2000), decrescendo depois acentuadamente, atingindo valores muito baixos nos meses de maio a outubro. Os meses de agosto e setembro são os mais críticos, quando já foram registradas umidades relativas inferiores a 10% (INMET, 2002). Figura 3 – Distribuição da precipitação e da temperatura no Distrito Federal (Mota, 2003). 5.3. Caracterização Geológica A geomorfologia do Planalto Central do Brasil apresenta características específicas em virtude, principalmente, dos condicionantes climáticos, geológicos e antrópicos da região. Em grande parte do Distrito Federal são encontradas chapadas, onde predomina um relevo residual e de aplainamento, com topografia plana e levemente ondulada (Blanco, 1995). Segundo Cardoso (2002), a geologia do Distrito Federal é basicamente composta por rochas dos grupos Paranoá, Canastra, Araxá e Bambuí. A litologia regional é caracterizada pela presença de ardósias, metarritmitos, metassiltitos e quartzitos geralmente muito intemperizados em sua porção superior. Na área do plano piloto de Brasília, local do Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo, predominam as rochas do grupo Paranoá com um grau de metamorfismo menor. Apresentam uma alternância de estratos de quartzitos com granulometria fina a média, metassiltitos argilosos, metarritmitos arenosos, metarritmitos argilosos e ardósias. A Figura 4 apresenta o mapa pedológico do Distrito Federal com a definição da classe dos solos superficiais. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 329 Figura 4 – Mapa geológico do Distrito Federal (Mota, 2003). 5.4 Caracterização Geotécnica 5.4.1 Considerações Iniciais Os solos do Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília apresentam características semelhantes àqueles encontrados em quase todo o Distrito Federal. De maneira geral, esses solos encontram-se, em estado natural, normalmente bem drenados, mesmo quando apresentam elevada proporção de argila (até 90%). A argila desses solos ácidos é normalmente agregada em grãos de textura arenosa e com alta permeabilidade. Esse comportamento mostra-se contrário aos solos das regiões secas (pluviometria inferior a 800 mm/ano em média) em que a argila encontra-se defloculada, sem poros, tornando-se, dessa forma, impermeável às chuvas e com reduzida capacidade de armazenamento de água. Quando a cobertura de solo é suficientemente profunda, o lençol freático no cerrado encontra-se geralmente situado entre 15 e 35 metros, com redução da profundidade do nível freático nas regiões mais planas (Mota, 2003). Diversas pesquisas têm sido desenvolvidas com objetivo de caracterizar o comportamento dos solos do Distrito Federal. As primeiras fontes de informação sistematizadas foram encontradas no levantamento realizado pelo Serviço Nacional de Levantamento de Solos (EMBRAPA, 1978), as quais possibilitaram a elaboração de um mapa pedológico na escala 1:1.000.000 (Figura 5). Posteriormente, outros estudos complementaram esse trabalho, como, por exemplo, o Levantamento de Solos da Região Geoeconômica de Brasília (EMBRAPA, 1983) e o trabalho da RADAMBRASIL (1982), que incorporam essencialmente os dados do levantamento original. 330 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 5 – Mapa pedológico do Distrito Federal (Mota, 2003). A argila porosa do Distrito Federal é constituída por argilas, siltes e areias combinados em diferentes proporções com variabilidade condicionada ao domínio geológico local. Esses estudos também demonstraram que os solos porosos colapsíveis de Brasília apresentam espessura variando entre 8 e 40 metros e estrutura constituída por micro e macroporos. O colapso dessas camadas é normalmente provocado pela instabilização de sua estrutura (Paixão & Camapum de Carvalho, 1994). Posteriormente, Cardoso (1995) apresentou um estudo micromorfológico sobre solos profundamente intemperizados de diferentes áreas do Distrito Federal e constatou que estes são formados por agregados de matriz fortemente argilosa, interligados entre eles e a grãos de quartzo (areia) por pontes de argila, com índices de vazios elevados entre 1,0 e 2,0. Segundo Guimarães (2002), as camadas de argila porosa do Distrito Federal apresentam baixa resistência à penetração (Índice de resistência NSPT variando de 1 a 6 golpes) e alta permeabilidade (10-3 a 10-4 cm/s), apesar da matriz argilosa. O comportamento em termos de permeabilidade é similar aos solos granulares finos. Devido a sua alta porosidade e tipo de ligações cimentíceas, apresenta uma estrutura altamente instável quando submetida a aumento de umidade e/ou alteração do estado de tensões, apresentando quase sempre uma brusca variação de volume (colapso). Devido à complexidade dos solos do Distrito Federal, Cardoso (2002), tendo por base a análise das várias proposições para descrição de perfis de intemperismo e a sua experiência com os solos lateríticos do cerrado brasileiro, apresentou uma nova proposta de descrição dos horizontes de solos. Sua proposta é uma adaptação realizada a partir das descrições de perfis de Pastore (1996) e do Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (EMBRAPA, 1999). Em sua proposição, Cardoso (2002) apresenta informações sobre as propriedades fundamentais dos solos do Distrito Federal, do ponto de vista mineralógico, químico e de engenharia e analisa a influência imposta a esses solos, em suas propriedades físicas e comportamento mecânico, pelas características químicas e mineralógicas. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 331 5.4.2 Ensaios de Laboratório 5.4.2.1 Ensaios de Caracterização A Tabela 1 apresenta um resumo dos ensaios de caracterização realizados em amostras coletadas em diferentes profundidades da área do Campo Experimental. Nesta tabela são apresentados os valores de peso específico, a densidade dos grãos, o índice de vazios, a porosidade, os limites de consistência e a distribuição granulométrica obtidas dos ensaios realizados nas diferentes amostras e sua posterior classificação. Tabela 1 – Quadro-resumo dos ensaios de caracterização realizados no Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo (Guimarães, 2002; Mota, 2003). A análise dos resultados dos ensaios de caracterização permitiu a constatação de que existe uma boa relação das propriedades físicas com as características mineralógicas e microestruturais dos solos do Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo (Guimarães, 2002; Mota, 2003). Além disso, os resultados possibilitaram a divisão do subsolo nas subcamadas a seguir descritas. • 0 a 3,5 metros – camada de areia argilo-siltosa porosa, com predominância de gibbsita, macroporos e muitos agregados, com alto índice de vazios (entre 1,27 e 1,60), peso específico dos sólidos em torno de 26,5 kN/m3 e IP médio de 10, devendo ser destacado que as propriedades da faixa compreendida entre 3 e 4 metros correspondem à zona de transição. Nessa 332 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB zona, que corresponde ao trecho de maior bioturbação, ocorrem as maiores variações de umidade ao longo do ano. • 3,5 a 8,5 metros – camada de argila areno-siltosa, em que as propriedades físicas, mineralógicas e microestruturais vão gradualmente se alterando até encontrar o residual mais jovem a 8,5 metros. Nesse trecho, o teor de gibbsita, a porosidade e a macroporosidade vão gradativamente diminuindo, com índice de vazios decrescente (1,27 para 0,89), peso específico dos sólidos e índice de plasticidade semelhante à camada anterior. A profundidade de 8 m corresponde à zona de transição. • 8,5 metros – profundidade a partir da qual o solo assume textura mais siltosa, caracterizada pelo aumento do índice de vazios (0,96 a 1,08), do peso específico dos sólidos (em torno de 27,4 kN/m3) e do IP (valor médio 17) com distribuição mais homogênea de poros. Nessa profundidade já não aparece a gibbsita. 5.4.3 Ensaios de Campo Na região do Campo Experimental, já foram realizadas campanhas in situ com praticamente todas as técnicas diretas e semidiretas de investigação do subsolo disponíveis. Os ensaios de campo realizados objetivaram a avaliação da capacidade de suporte e a determinação de parâmetros geotécnicos dessa área representativa dos solos do Distrito Federal. Dentre os ensaios de campo podem ser destacados: ensaios de cone (CPT), ensaios pressiométricos (PMT), ensaios dilatométricos (DMT), penetrômetro dinâmico leve (DPL) e sondagens de simples reconhecimento com medida de torque (SPT-T). Mota (2003) apresentou os resultados dos ensaios de campo e suas relações com a variação de umidade e sucção, com o objetivo de verificar eventuais influências da variação da umidade dos perfis nos resultados dos ensaios executados em diferentes estações do ano. No caso de solos não saturados, torna-se necessário introduzir informações adicionais, estabelecendo relações com seu estado de saturação. Ao variar a umidade do solo para um determinado índice de vazios, altera-se o grau de saturação e, portanto, a sucção, situação frequente em campo. Numa fase inicial, Mota (2003) apresentou o modelo utilizado para estimar a sucção de campo conhecendo-se a variação do índice de vazios e a umidade obtida durante os ensaios de campo. Para avaliar a influência da variação sazonal nos resultados, apresentou-se a correlação linear entre campanhas. 5.4.3.1 Perfil de Umidade e Sucção das Campanhas Realizadas Perfis de umidade do solo do campo experimental da UnB vêm sendo obtidos por diversos autores ao longo dos anos, entre eles Perez (1997), Jardim Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 333 (1998), Sales (2000) e Guimarães (2002). A técnica de ensaio do solo na umidade natural e inundado passou a ser corrente a partir de Jardim (1998). A Figura 6 apresenta os perfis anteriores à realização dos ensaios de campo e provas de carga de Mota (2003). Figura 6 – Comparação entre perfis de umidade do campo experimental da UnB em anos anteriores às campanhas de ensaios de campo (modificado – Perez, 1997; Sales, 2000). Figura 7 – Comparação dos perfis de umidade do campo experimental ao longo dos anos de 1999 a 2001 referentes às campanhas de ensaios de campo e provas de carga. 334 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Na Figura 7 e Tabela 2, tem-se a seguinte nomenclatura: C1: Fev/00 (1ª campanha), referente ao perfil de umidade da estação chuvosa 1, retirado no mês de Fev/00 e adotado para os ensaios da 1ª campanha. De Dez/1996 a Dez/2001, verifica-se que as variações que ocorrem no topo (1,0 a 3,0 m) devem-se a ciclos de precipitação e evaporação, zona de maior bioturbação. Essa região ativa já havia sido detectada por Cardoso (1995). Há uma tendência comum entre 3,0 e 8,0 m com pequenas variações de 2 a 4% no horizonte de solo residual laterítico, zona estável. Entre 9,5 a 11,0 m ocorrem discrepâncias nas umidades, passando-se a grandes variações no horizonte de solo saprolítico. Essas variações se devem ao acúmulo de água no período chuvoso e à perda de umidade na estação seca. Pelas amostras de umidade da 3ª campanha, retiradas em Out/00, correspondentes à estação chuvosa C2, observa-se que o perfil de solo não sofreu influência das chuvas intensas e espaçadas registradas naquele período, cujas precipitações médias foram de 196,7 mm/mês – período correspondente ao fim da estação seca e ao início da estação chuvosa (período de transição entre estações). Já o perfil de umidade da estação chuvosa C3, obtido em Dez/01, sofreu influência das chuvas, que tiveram precipitações médias de 174 mm/mês, apresentando diferença de até 23,4% na umidade média do trecho inicial (1,0 a 3,0 m) quando comparado com o perfil de umidade da estação C2. Logo, o período C3 é considerado chuvoso e, levando-se em conta que a prova de carga 6 (reensaio da estaca E3) ocorreu em período equivalente à estação C2 (Out/00), pode-se concluir que o ensaio é representativo de estação seca. Tabela 2 – Variação da umidade e sucção do campo experimental da UnB obtidos ao longo da pesquisa. Data Fev 2000 Jun 2000 Ago 2000 Out 2000 Mar 2001 Dez 2001 Estação Parâdo ano metro w (%) C1 ψ (kPa) w (%) S1 ψ (kPa) w (%) S1 ψ (kPa) w (%) C2 ψ (kPa) w (%) C2 ψ (kPa) w (%) C3 ψ (kPa) 1,0 26,9 22,2 21,8 773,6 18,0 3412 20,0 1991 26,7 23,4 27,9 16,0 1,5 27,7 17,2 23,9 56,3 18,3 3209 20,1 1958 26,6 24,2 28,4 13,7 2,5 30,6 5,7 28,8 8,6 26,8 14,6 24,6 29,9 26,8 14,6 29,8 6,8 Profundidade (m) 3,5 4,5 5,5 6,5 32,3 32,5 32,0 30,4 6,0 9,0 7,9 14,3 32,0 31,5 32,1 30,1 6,0 5,1 7,7 15,4 31,1 30,6 30,6 29,4 6,0 6,9 11,5 18,6 26,7 30,4 30,7 28,1 6,1 7,4 11,2 26,9 31,2 30,6 30,9 30,0 6,0 9,0 10,6 15,8 30,4 30,8 30,9 30,0 6,0 6,4 10,6 16,0 7,5 29,3 16,8 29,3 16,8 27,6 42,6 27,7 40,4 28,1 32,4 28,2 30,0 8,5 29,0 3,7 28,3 3,8 26,7 5,1 26,9 4,8 27,0 4,6 - 10,5 27,9 851,7 36,4 149,0 22,1 1360 33,6 304,0 35,1 211,0 - Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 335 5.4.3.2 Ensaios de Cone Os ensaios de cone realizados no campo experimental foram executados com equipamento hidráulico motorizado, com capacidade máxima de cravação de 200 kN, hastes cilíndricas de 33 mm de diâmetro e comprimento individual de um metro, com um cone elétrico de diâmetro igual a 3,56 cm, área de 10 cm2, ângulo de base igual a 60° com capacidade máxima na ponta de 100 kN e 1000 kPa de atrito lateral, acoplado a um sistema de aquisição de dados, computador e impressora, que forneceu as planilhas de variação da resistência de ponta (qc) e atrito lateral (fs) ao longo da profundidade. A Figura 8 apresenta os perfis de resistência de ponta e atrito lateral construídos em função dos ensaios de cone realizados, denominados CP8, CP9, CP810, CP11, CP12, CP13 e CP14. Esses ensaios constituíram a terceira campanha de ensaios de cone realizada no campo experimental, desenvolvida no período de outubro de 2000 a março de 2001 (estação chuvosa). Outros resultados de ensaios de CPT na estação seca e chuvosa podem ser obtidos em Mota (2003). Figura 8 – Resultados dos ensaios de cone realizados no Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo (Mota, 2003). 5.4.3.3 Ensaios Pressiométricos Os ensaios pressiométricos na região do Campo Experimental foram realizados com um pressiômetro tipo Ménard, segundo os procedimentos recomendados pela D-4719 (ASTM 1987). Os ensaios, denominados PM1, PM2 e PM3, foram executados por meio de pré-furos, abertos a cada metro, com um trado 336 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB tipo concha BX (63 mm) e alargados com um trado NX (74 mm) para posterior inserção da sonda pressiométrica (bainha de borracha). O centro da parte expansiva da sonda indicou a profundidade de ensaio: a cota do nível do terreno até o centro da sonda foi igual 0,6 m. A parte expansiva apresenta 42 cm, com célula de medição de 0,21 m e distância do centro da sonda até o início das hastes de 0,73 m. As hastes possuem um metro de comprimento. A pressão foi aplicada, em geral, em incrementos de 25 kPa, e os ensaios finalizados após ser consumida a água disponível no reservatório do equipamento, aproximadamente 800 cm3. As Figuras 9 a 11 apresentam as curvas pressiométricas obtidas para os três ensaios de PMT realizados no campo experimental. As curvas foram devidamente corrigidas (correção de volume e pressão) e removidas do trecho de recompressão até PoM (pressão inicial do tramo pseudo-elástico), ou seja, o ponto de inflexão da curva pressiométrica. Figura 9 – Curvas pressiométricas dos ensaios PM1 (Mota, 2003). Figura 10 – Curvas pressiométricas dos ensaios PM2 (Mota, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 337 Figura11 – Curvas pressiométricas dos ensaios PM3 (Mota, 2003). 5.4.3.4 Ensaios Dilatométricos O equipamento utilizado nos ensaios dilatométricos do Campo Experimental consiste de uma lâmina metálica plana de 94 mm de largura, 15 mm de espessura e 235 mm de comprimento, contendo uma membrana flexível de 60 mm de diâmetro composta de aço flexível, localizada em apenas um lado da lâmina reta. A membrana é inflada durante a realização do ensaio, utilizando-se o gás nitrogênio. A lâmina é conectada por um tubo eletro-pneumático à unidade de controle que fica na superfície, enquanto a lâmina é cravada no solo. As Figuras 12 a 15 apresentam as pressões p0 e p1 e os parâmetros intermediários (módulo dilatométrico - ED, índice do material - ID e índice da tensão horizontal - KD) de ensaios de DMT realizados no campo experimental. Adicionalmente, são apresentados, nas Tabelas 3 e 4, os valores médios dos parâmetros calculados nos intervalos de cada metro. Outros resultados do ensaio DMT podem ser obtidos em Mota (2003). Figura 12 – Pressões p0 e p1 dos ensaios de DMT da 1ª campanha (Mota, 2003). 338 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 13 – Módulo dilatométrico, índice do material e índice da tensão horizontal dos ensaios de DMT da 1ª campanha (Mota, 2003). Figura 14 – Pressões p0 e p1 dos ensaios de DMT da 3ª campanha (Mota, 2003). Figura 15 – Módulo dilatométrico, índice do material e índice da tensão horizontal dos ensaios de DMT da 3ª campanha (Mota, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 339 Tabela 3 – Resultados médios dos ensaios de DMT da 1ª campanha. Tabela 4 – Resultados médios dos ensaios de DMT da 3ª campanha. 5.4.3.5 Penetrômetro Dinâmico Leve A campanha de caracterização do Campo Experimental contou ainda com a realização de ensaios utilizando o penetrômetro dinâmico leve (DPL). Esses ensaios foram realizados de acordo com as especificações preconizadas na Re- 340 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB ferência Internacional para Procedimentos de Ensaio para Sondagem Dinâmica (ISSMFE, 1989). O equipamento utilizado consiste, basicamente, numa haste com uma ponteira (cone), penetrada no solo por percussão (Figura 16). A ponteira tem por objetivo criar um vazio no solo, minimizando o atrito ou a aderência ao longo das hastes. O processo de cravação é realizado por meio de um martelo de 10 kg levantado aproximadamente 50 cm e posicionado verticalmente através de uma guia com 1 m e diâmetro de 25 mm. Figura 16 – Vista do penetrômetro dinâmico leve. Para a sondagem DP3 utilizou-se ainda um torquímetro, marca APOLLO, com capacidade de 0 a 70 Nm e soquete de ½”x 8 mm para adaptar o torquímetro. A ponteira foi cravada no solo de 10 em 10 cm, medindo-se a quantidade de golpes necessários para sua cravação. O torque foi realizado a cada 1,0 m, logo após a penetração da ponteira, evitando-se, assim, a reestruturação do solo. O torque foi medido girando 180º, com velocidade contínua e lenta correspondendo a 360º/minuto, mantida constante. Registraram-se o valor máximo e o valor predominante de resistência durante 120º (20 segundos). As Figuras 17 e 18 apresentam os resultados dos ensaios realizados com o penetrômetro dinâmico leve (DPL) no Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília. Figura 17 – Resultados dos ensaios de DPL do (Mota, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 341 Figura 18 – Resistência de ponta e atrito lateral via torque do ensaio de DPL (Mota, 2003). 5.4.3.6 Sondagem de Simples Reconhecimento com Medida de Torque Os ensaios de sondagem à percussão foram realizados de acordo com a NBR-6484 (ABNT, 1980), exceto quanto ao acionamento manual do martelo com cabo de aço e sem coxim de madeira (prática regional). O processo de perfuração (avanço) foi executado com o auxílio de um trado, sem a necessidade de revestimento. Adicionalmente, deve-se destacar que em nenhum dos ensaios foi encontrado nível d’água. As amostras foram coletadas por meio do trado, no final de cada avanço, e também por meio do amostrador do ensaio. Após coletadas, as amostras foram devidamente identificadas para posterior determinação da umidade. Das amostras coletadas no amostrador foi realizada a descrição táctil visual e sucção pelo método do papel filtro. O torque foi realizado após a penetração do amostrador padrão (Raymond de 50,8 mm), retirando-se a cabeça de bater e acoplando um pino adaptador do torquímetro para colocação de um anel centralizador. Segundo Peixoto (2001), o torque deve ser medido imediatamente após a cravação, pois em alguns materiais há uma reestruturação do solo alterando o valor do torque. A Figura 19 apresenta os resultados obtidos nos ensaios SPT-T realizados no Campo Experimental, e as Tabelas 5 e 6 destacam os valores nominais dos parâmetros (NSPT, Tmax e Tres) obtidos nos ensaios. Além disso, a Figura 20 apresenta o perfil estratigráfico típico da área do campo experimental. 342 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 19 – Resultados dos ensaios de SPT-T do Campo Experimental da UnB (Guimarães, 2002; Mota, 2003). Tabela 5 – Valores do Índice de Resistência NSPT (Guimarães, 2002; Mota, 2003). Tabela 6 – Valores de Tmax e Tres obtidos nos ensaios SPT-T (Guimarães, 2002; Mota, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 343 Figura 20 – Perfil de solo característico do Campo Experimental da UnB (Mota, 2003). 6 TENDÊNCIAS FUTURAS Ampliação das pesquisas voltadas à caracterização de solos residuais lateríticos por meio de ensaios de campo; Realização de novos ensaios de campo e posterior comparação dos resultados para elaboração de propostas de classificação e determinação de parâmetros geotécnicos dos solos tropicais; Avaliação da influência da variação da sucção na capacidade de suporte dos solos; Realização de ensaios de campo “ambientais” tipo ponteira resistiva, cone de resistividade e cone sísmico no Campo Experimental e em outros locais do DF; Estudos específicos na área de solos tropicais, solos não saturados e fundações, como, por exemplo, a influência dos argilos minerais e processos de formação pedogenética no comportamento do material, influência da sucção e de características de ambiente não saturado no comportamento mecânico do solo local e aspectos como o efeito de carregamento cíclico, horizontal, dinâmico, de grupo, etc. em fundações tipo da região, assentes no solo local. 344 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABNT (1980). 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(Org.), 2. ed., Brasília, DF: Editora Universidade de Brasília. p. 285-320. Paixão, M.N.O.N.; Camapum de Carvalho, J. (1994). Influência da Microestrutura no Colapso de um Solo de Brasília. In: Simpósio sobre Solos Não-Saturados, 2, Recife, PE. p. 105-110. Pastore, E.L. (1996). Descrição do Perfil de Solo do Campo Experimental da UnB. Comunicação Pessoal confirmada em setembro de 2000. RADAMBRASIL (1982). Brasília: Geologia, Geomorfologia, Pedologia, Vegetação e Uso Potencial da Terra. Ministério das Minas e Energia. Secretaria Geral, Folhas SD 23, Rio de Janeiro, RJ. 660 p. Capítulo 16 Fundações: Experiência consolidada no âmbito do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB Carlos Medeiros Silva Renato Pinto da Cunha Renato Cabral Guimarães José Moura Soares Marcia Maria dos Anjos Mascarenha 1 Introdução O entendimento do comportamento das fundações no Distrito Federal teve um importante impulso após a implantação do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília. Diversos estudos foram conduzidos paralelamente aos que buscavam a caracterização e a compreensão do manto de intemperismo do Distrito Federal, alguns dos quais se encontravam inseridos nas dissertações e teses desenvolvidas na área de fundações. Porém, vários outros, encontram-se compondo estudos diversos, como os que se referem aos processos erosivos e aos solos tropicais. A interpretação e o domínio das propriedades físicas, químico-mineralógicas e estruturais dos solos regionais contribuiu com esses estudos e possibilitaram soluções e conclusões mais acertadas e adequadas para o solo regional. Assim, por exemplo, enquanto em outras regiões com subsolo marcantemente arenoso os procedimentos executivos que envolvem a compactação do solo geram a melhoria da capacidade de suporte das fundações superficiais e profundas, no manto argiloso do Distrito Federal esses procedimentos geralmente causam a quebra estrutural e a consequente perda da capacidade de carga. O foco da maioria das pesquisas saiu, portanto, da simples verificação e constatação da capacidade de carga das fundações para o entendimento do comportamento das fundações assentes no manto argiloso e, por consequência, contribuiu para a melhoria técnica e econômica dos projetos de fundações. Ao longo dos anos, a interação com as empresas de engenharia da região foi fundamental para o desenvolvimento tecnológico atingido e, só por meio dela, dado o alto custo de alguns ensaios, tornou-se possível a evolução técnica, conscientizando de forma definitiva a comunidade técnica para a importância da interação empresa-universidade e para a necessidade de estudos garantidores de conhecimento, que traz técnica, segurança e economia para as obras. A atuação do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia como parceiro nesse contexto deu-se, por um lado, na busca de solução para problemas regio- 348 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB nais e, por outro, como gerador do desenvolvimento técnico e científico. Os estudos resultaram em soluções de engenharia como, por exemplo, as que se referem ao uso de solo-cimento como alternativa de baixo custo e o desenvolvimento e a implementação de técnicas de controle de estacas hélice contínua durante o processo de execução. Algumas dessas pesquisas tiveram início com alunos da graduação. E além dos resultados obtidos, que contribuíram com os avanços técnicos, parte desses alunos tornou-se engenheiros que atuam marcantemente no mercado privado da geotecnia. Este capítulo sintetiza parte dos principais resultados obtidos nas pesquisas efetuadas pelo Programa de Pós-Graduação da Universidade de Brasília na área de fundações, lembrando aos interessados que as dissertações e teses desenvolvidas no Programa encontram-se disponíveis em seu site (www.geotecnia.unb.br). 2 Características do Solo Local Para o estudo de fundações, faz-se inicialmente necessário situá-las no contexto do perfil geológico-geotécnico. A geologia regional é marcada por frequentes dobramentos e diferentes rochas de origem, o que interfere diretamente no projeto de fundação. Enquanto os dobramentos podem interferir diretamente em uma única obra, os tipos de rocha mãe terminam por fazer com que os projetos variem em concepção de setor para setor, interferindo nas técnicas de execução das fundações. Sobrepondo-se ao manto rochoso tem-se o manto de intemperismo, cuja espessura e nível de alteração variam segundo essa própria rocha de origem e outros condicionantes, como as condições de drenagem. O manto de intemperismo pode variar de alguns centímetros a dezenas de metros e vai do solo pouco intemperizado, solo saprolítico, até o solo profundamente intemperizado, poroso e colapsível. No solo saprolítico, é possível ter grande influência da estrutura da rocha mãe, como é o caso dos solos saprolíticos de ardósia – nesse caso, os dobramentos exercem igualmente grande influência, pois a orientação da estrutura de fundação em relação à estratigrafia é condicionante da interação solo-estrutura. Esse aspecto tem grande importância, pois os ensaios de campo como o SPT e cone são incapazes de caracterizar tais peculiaridades. Essa camada de solo é de difícil caracterização devido à sua grande heterogeneidade. Cardoso (2002) ilustrou bem o problema ao mostrar grandes dispersões em ensaios de cisalhamento direto realizados nesses solos. Nos solos profundamente intemperizados, cujas propriedades e comportamentos praticamente não guardam elo com a origem, o que marca o comportamento é a metaestabilidade estrutural que os caracteriza. A metaestabilidade estrutural guarda relação com a história do intemperismo, distanciando-se, no entanto, da história de tensões e até mesmo da origem do solo. A metaestabilidade estrutural é responsável pelo colapso estrutural do solo. Antes de se adentrar nas diferentes análises e conclusões aportadas pelos diferentes autores de Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 349 dissertações e teses de mestrado e doutorado defendidas no Programa de PósGraduação em Geotecnia da Universidade de Brasília, faz-se necessário fixar o seu entendimento geral. O colapso estrutural do solo pode ser fruto, por um lado, do ataque químico às ligações cimentícias eventualmente presentes nos solos e, por outro, da variação de energia imposta ao solo. A variação de energia pode ter origem externa, como é o caso do aumento de tensões e das vibrações, ou interna, relacionada à variação do estado de tensões e de sucção, ou ainda da própria química do fluido de saturação. A velocidade com que ocorre o colapso depende da velocidade com que se dá o ataque químico ou da variação de energia aplicada ou atuante no solo. Pode-se ainda ter a influência concomitante de mais de um fator desencadeador do colapso, o que interfere não só na velocidade, como também em sua intensidade. Um exemplo é a infiltração de águas servidas em que, além da diminuição dos valores de sucção, tem-se a alteração química provocada pelo fluido de saturação acelerando a velocidade de colapso. As discussões apresentadas a seguir permitiram consolidar esse entendimento introdutório. A sucção matricial, a estrutura do solo, a composição químico-mineralógica e as forças interpartículas são, portanto, fatores determinantes nas análises de capacidade de carga e nas previsões de comportamento dessas fundações. Em fundações, o tema foi abordado genericamente por Menescal (1992), que estudou o papel relevante da sucção e da estrutura do solo no comportamento tensão-deformação dos solos não saturados, propondo um modelo numérico para analisar o comportamento de vários tipos de obras geotécnicas implantadas nesse tipo de solo, entre as quais as fundações assentes em solos não saturados metaestáveis, como os encontrados em grande parte do Distrito Federal. Suas análises mostraram que considerar o solo somente na sua “pior” condição, saturado e com efeito do colapso, pode divergir da condição não saturada e sem colapso, em termos de deformabilidade, em até vinte vezes para os casos estudados. O fenômeno do colapso, fundamental para o entendimento do comportamento das fundações implantadas no horizonte colapsível, foi definido por Camapum de Carvalho et al. (1987) como o fenômeno de variação brusca de volume ao ser submetido a um aumento da tensão aplicada, ou a uma redução da resistência ao cisalhamento pela perda de coesão e/ou sucção matricial. Posteriormente, Farias & Assis (1996) estudaram o colapso estrutural em uma seção típica do metrô de Brasília e concluíram que o colapso pode ocorrer por dois motivos principais: o ocasionado por saturação e o relacionado somente com as variações do estado de tensões. Para Mascarenha (2003), os solos colapsíveis apresentam estrutura com alto índice de vazios e um baixo teor de umidade. Suas partículas são mantidas em uma posição estruturalmente estável, pela presença de algum vínculo capaz de conferir ao solo uma resistência adicional, permanecendo em equilíbrio enquanto nenhum agente externo intervir no sentido de diminuir a resistência adicional e temporária adquirida pelo solo. 350 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB O mecanismo do colapso nos solos locais, determinante nas avaliações de risco e segurança das fundações, foi dissecado por vários pesquisadores, entre eles Cardoso (1995), Araki (1997) e Luna (1997). Eles observaram que esse comportamento, provocado pela alteração do estado de tensão e saturação também é influenciado pelas características químicas, mineralógicas, micromorfológicas e pela composição do fluído de inundação, em que o pH do fluido determina a magnitude do ataque às ligações cimentíceas. Cardoso (1995) e Luna (1997) caracterizaram os solos do Distrito Federal verificando, entre outras características, que os solos que cobrem grande parte da região apresentam elevados teores de ferro (Fe) e alumínio (Al) devido ao processo de lixiviação e apresentam elevada porosidade apesar do alto teor de argila, presente em uma espessa camada de argila porosa vermelha, com baixa resistência (SPT<4) e alta permeabilidade. Nesses solos, Cardoso (1995) e Luna (1997) verificaram que a colapsividade é consequência do arranjo estrutural dos solos, que, por sua vez, é resultado direto de sua química e mineralogia, originada basicamente durante a evolução intempérica, conforme se nota na Figura 1. Também verificaram que a agregação das partículas de solo que geram grandes vazios está associada não só aos contatos estruturais realizados por meio de pontes de argila, como também à inexpressiva ação de cimentação de oxi-hidróxidos de ferro. Esses componentes se mostraram como os principais fatores dos solos estudados para a existência de elevados potenciais de colapso que afetam o comportamento das fundações. Figura 1 – Modelo de Evolução Químico-Mineralógico dos Solos Tropicais Colapsíveis (Cardoso, 1995). Outras importantes contribuições encontradas em Cardoso (1995) e Luna (1997) são as propriedades físicas e a caracterização geotécnica dos principais 351 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB solos encontrados durante a escavação realizada para implantação da linha do metrô, destacando-se a dos solos da Cidade de Águas Claras-DF, região de expansão urbana, onde também foi verificado o elevado potencial de colapso desses solos (Tabelas 1 e 2). Tabela 1 – Propriedades Físicas dos Solos encontrados em Águas Claras (Cardoso, 1995). Granulometria Solos γ γd w0 (kN/ (kN/ Argila Silte Areia (%) m3) m3) (%) (%) (%) G e n Sr Prof (%) (m) Mud flow 62 8 30 33,6 11,57 8,73 2,63 1,969 0,66 44,9 3 Solo residual laterítico 43 17 40 15,2 12,45 9,91 2,61 1,387 0,58 28,8 3 Solo saprolítico 25 15 60 23,1 16,18 13,14 2,69 1,008 0,50 61,5 4 Tabela 2 – Propriedades Físicas dos Solos Colapsados encontrados em Águas Claras (Cardoso, 1995). Solos Rp-100 kPa (%) Rw (%) Rt-100 kPa (%) ep ew Srp (%) Srw (%) Mud flow 9,94 2,01 11,75 1,674 1,620 52,8 100 Solo residual laterítico 7,67 3,33 10,74 1,204 1,131 32,9 100 Solo saprolítico 5,94 2,62 8,42 0,888 0,839 70,0 100 Utilizando o banco de dados de Peixoto (1999), que estudou o comportamento mecânico do solo poroso e colapsível típico do Distrito Federal (argila areno-siltosa), por meio da realização de ensaios com controle de sucção em uma célula oedométrica com medidas de tensões laterais, Gitirana Jr.(1999) confirmou o comportamento colapsível do solo local e, como era esperado, constatou que quanto maior a tensão total líquida média, maior a sucção para a qual o solo inicia o processo de colapso. Compreender o fenômeno do colapso é fundamental para o entendimento do comportamento das fundações implantadas na argila porosa colapsível do Distrito Federal. Na Figura 2, Gitirana Jr. (1999) apresentou a variação do índice de vazios em função de variáveis de tensão, ou seja, em função da tensão total líquida média e da sucção. 352 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 2 – Dados experimentais de compressibilidade da estrutura do solo (Peixoto, 1999) e curvas ajustadas: (a) índice de vazios por tensão total líquida média sob várias sucções; (b) volume específico por logaritmo natural da tensão total líquida média para várias sucções (Gitirana Jr., 1999). Os estudos realizados por Menescal (1992), Gitirana Jr.(1999) e Peixoto (1999) deram contribuições importantes para o entendimento do solo local, alertando que o dimensionamento adequado de uma fundação, implantada na argila porosa colapsível de Brasília, ocorrerá apenas se o comportamento tensão-deformação, que é dependente das condições de saturação e da estrutura do solo, for adequadamente previsto. Dessa forma, modelos não realísticos podem apresentar comportamento completamente antagônico ao observado na realidade. Portanto, o conhecimento desses diferentes aspectos interferindo nas propriedades e no comportamento dos solos é extremamente relevante para a definição de adequados projetos de fundação. 3 Solo-Cimento como Solução Em grande parte do Distrito Federal, as camadas de solos superficiais em geral são muito porosas, colapsíveis e apresentam baixa capacidade de carga, impondo a adoção de fundação profunda mesmo para as pequenas edificações. Nesses casos, é comum o uso de tubulões ou estacas escavadas tendo como elemento estrutural o concreto, o que provoca, quase sempre, um superdimensionamento do elemento estrutural. Visando resolver esse problema e objetivando a execução de fundações de baixo custo, principalmente para as habitações populares, pesquisas foram iniciadas por Cortopassi (1989) e Mundin (1990), que estudaram a mistura solo-cimento plástico para vários tipos de solos encontrados no Distrito Federal, com diferentes teores de cimento. Entre as contribui- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 353 ções desses estudos iniciais, realizados ainda em nível de graduação, destaca-se a constatação feita por Cortopassi (1989) de que, na mistura cimento-solo laterítico concrecionado, a resistência pode decrescer a partir de um determinado tempo devido à perda de resistência das concreções em consequência do aumento de sua umidade. Camapum de Carvalho et al. (1990) publicaram os primeiros resultados dessas pesquisas e mostraram um estudo comparativo, em que a adoção de solocimento como elemento estrutural para fundações de pequeno porte pode, segundo suas estimativas, reduzir em até 50% os custos com os materiais usados nas fundações profundas. Apresentaram também a ideia de um equipamento para estudar o comportamento físico desse material em laboratório, equipamento que foi projetado e posteriormente construído por Quezado (1993) e aprimorado por Ribeiro (1999). O fenômeno da perda de resistência do solo-cimento com o tempo também foi observado por Silva (1994), que o atribuiu à variabilidade do Slump, ressaltando a importância no controle do fator água-cimento para o bom desempenho do solo-cimento como elemento estrutural. Entretanto, segundo Quezado (1993), o comportamento das concreções lateríticas depende do grau de laterização e do tipo de cimento formado durante esse processo, o que poderia explicar as quedas de resistência observadas por Cortopassi (1989), Mundim (1990) e Silva (1994). Seguindo a orientação das pesquisas anteriores, Silva (1992), Quezado (1993) e Silva (1994) adotaram, como dosagem, a percentagem de 12% de cimento em relação ao peso de solo seco e, como fator água-cimento, a umidade correspondente ao limite de liquidez obtida pelo método do cone. Para estudar o comportamento de duas mistura de solo-cimento, Silva (1992) coletou amostras de argila no campo experimental de Geotecnia da Universidade de Brasília e de uma jazida de cascalho próxima à cidade de Sobradinho. Dos estudos realizados concluiu-se que: a) o solo laterítico com concreções apresenta um comportamento significativamente melhor do que o solo argiloso (Figura 3); b) o emprego dos aditivos plastificantes para aumentar a trabalhabilidade não apresentou nenhuma eficácia; c) o atrito solo-elemento de solo-cimento preparado com solo laterítico concrecionado é semelhante ao do elemento estrutural de concreto com o solo (Figura 4); d) pode-se esperar um melhor desempenho, em termos de atrito, para um elemento de solo-cimento argiloso, provavelmente em função de o módulo desse material ser mais próximo daquele do solo com o qual interage; e) a contribuição por atrito lateral é influenciado pelas tensões confinantes, ou seja, em uma fundação executada em solo homogêneo essa contribuição lateral é crescente com a profundidade, conforme ilustra a Figura 5. 354 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 3 – Resistência a compressão simples do microconcreto e dos solos-cimento (Silva, 1992). Figura 4 – Ensaios de cisalhamento simples para o microconcreto e os soloscimentos (Silva, 1992). Figura 5 – Aumento do atrito lateral com o acréscimo da tensão confinante e a comparação da adesão obtida na prova de carga, com os resultados do modelo proposto por Quezado (1993) e corrigindo-se os resultados em função da tensão confinante obtida nos ensaios realizados por Silva (1994). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 355 Dando prosseguimento aos estudos sobre o uso do solo-cimento em fundações de baixo custo, Silva (1994) realizou oito provas de cargas para verificação do desempenho e da consequente aplicabilidade da técnica nas fundações de um empreendimento habitacional na cidade de Valparaíso, GO. Nesse estudo, cinco estacas foram executadas usando-se solo-cimento plástico e três usando-se concreto. As profundidades variaram de 2,8 m a 6,0 m, sendo todas as fundações implantadas no manto de argila porosa colapsível. A laterita utilizada na mistura de solo-cimento plástico foi obtida em duas jazidas próximas da obra. A pesquisa realizada por Silva (1994) embasou a aplicabilidade e a adoção do solo-cimento plástico com sucesso em várias edificações da região. Tornouse uma alternativa de menor custo principalmente para as fundações populares, destacando-se a sua aplicação em cinco edifícios de quatro pavimentos de um conjunto habitacional na cidade de Valparaíso, GO (Figura 6), conforme técnica relatada por Camapum de Carvalho (1997). Entre os principais resultados obtidos por Silva (1994), destacam-se os ensaios de compressão simples em várias idades de cura do solo-cimento, a realização de ensaios de cisalhamento direto em várias profundidades e as análises realizadas com os resultados para verificação da adaptabilidade dos métodos empíricos e teóricos à técnica proposta, solo-cimento plástico como elemento estrutural (Tabela 3). O estudo ainda apresenta resultados comparativos entre as adesões obtidas nas provas de carga e as oriundas do uso do modelo proposto por Quezado (1993). Figura 6 – Residencial cujas fundações, tubulões e estacas foram preenchidas com solo-cimento plástico em Valparaíso, GO. 356 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 3 – Resultados do ensaio da sondagem a percussão simples, dos ensaios de cisalhamento direto, das cargas de rupturas obtidas nas provas de cargas e das estimativas de carga de ruptura obtidas por métodos semiempíricos e empíricos (Silva, 1994). Ressalta-se que, nas cinco provas de carga realizadas por Silva (1994), em que se utilizou o solo-cimento como elemento estrutural, a ruptura foi sempre na interface solo/solo-cimento, validando a aplicabilidade da mistura solo-cimento plástico como material estrutural para fundações de pequena capacidade de carga. Ribeiro (1999) alertou para a redução da adesão na interface estaca de solocimento/solo quando do aumento do grau de saturação, ficando claro que, para fundações implantadas nesse tipo de solo, argila porosa colapsível, independentemente do material estrutural, as condições de drenagem e a manutenção das redes de águas e de esgotos são fundamentais para o bom desempenho das fundações (Figura 7). Sales et al. (2001) também verificaram o fenômeno quando ensaiaram duas estacas escavadas a trado, moldadas in loco no Campo Experimental do programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília (UnB), sendo uma na umidade natural e outra com pré-inundação do solo por 48 horas. Foi verificado que a inundação provoca uma redução da capacidade de carga da estaca; porém, a rigidez do sistema estaca-solo não é muito alterada. Ou seja, a inundação desse solo será maléfica apenas se a combinação com o estado de carregamento for suficiente para atingir o colapso. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 357 Figura 7 – Envoltória de resistência da interface solo-cimento/solo e aumento da deformabilidade com o aumento da umidade (Ribeiro, 1997). Efetuando provas de carga em fundações do tipo radier estaqueado, Sousa (2003) estendeu o estudo do comportamento experimental dessas fundações quando assentes sob estacas de solo cimento e estacas de areia/brita/cimento, iniciado por Sales (2000), apresentando uma nova metodologia para uso em projetos de conjuntos habitacionais de pequeno porte. Analisando o desempenho das estacas com profundidade de 2,00 m, como “elementos redutores de recalques”, Sousa (2003) pôde concluir que estas não funcionaram nesse sentido, ou seja, não houve uma redução significativa nos valores dos recalques. No entanto, observou que, quando atuando no sistema sapata/estaca/solo, as estacas contribuem significativamente para o aumento da capacidade de carga do sistema. 4 Fundações Profundas Isoladas 4.1 Comportamento de estacas solicitadas verticalmente As primeiras provas de carga realizadas no Campo Experimental de Fundações e Ensaios de Campo da Universidade de Brasília ocorreram em meados de 1996 por meio da pesquisa desenvolvida por Perez (1997), Almeida (1998) e Rodrigues et al. (1998). O trabalho de Perez (1997) consistiu na avaliação do comportamento de ruptura e determinação de parâmetros de compressibilidade de fundações do tipo “estacas raiz” assentadas sobre a argila porosa de Brasília submetida a provas de carga verticais rápidas. As estacas raízes foram executadas em quatro níveis diferentes de pressão de injeção, sendo utilizadas respectivamente 0, 200, 300 e 500 kPa. Essa diferenciação foi selecionada com objetivo de estudar o comportamento da estaca para uma ampla faixa de pressões que, nem sempre, são adotadas na prática da engenharia. A Figura 8 apresenta os resultados das provas de carga executadas em cada uma das estacas estudadas. A nomenclatura adotada (R.0 a R.5) exprime o nível de pressão de injeção utilizado, sendo expressa por meio do numeral presente na composição do símbolo. Perez (1997) observou que, para as estacas 358 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB raízes implantadas na argila porosa colapsível de Brasília, a pressão de injeção pode quebrar a estrutura do solo, pois foram obtidas capacidades de carga última, consequentemente módulos, cada vez menores à medida que aumentava a pressão de injeção da estaca, que variava de 0 (zero) a 500 kpa. Figura 8 – Curvas carga versus recalque das estacas raiz (Perez , 1997). Perez (1997) também avaliou seus resultados conjuntamente com os obtidos por Rodrigues et al. (1998) para estacas Strauss, escavadas e pré-moldadas. Avaliaram-se as metodologias de determinação da capacidade de carga e, principalmente, determinaram-se valores de recalque via teorias da elasticidade, fazendo uso do módulo de Young da argila porosa de Brasília, obtido por meio das retroanálises das provas de cargas (Tabela 4). O maior valor verificado para as estacas raízes em relação aos demais tipos de estacas deve-se, provavelmente, à sua maior profundidade. Foi verificado também que o módulo de Young obtido por meio de ensaios de DMT pode ser utilizado como uma aproximação razoável para o solo local. Tabela 4 – Módulos de deformabilidade médios obtidos por Perez (1997). Grupo de Estaca Raiz Escavada com expansor Pré-moldada Escavadas concretadas em diferentes dias Strauss Escavadas manualmente Es50% (MPa) 45 27 17 14 10 5 Paralelamente, Almeida (1998) realizou uma extensa campanha de ensaios de prova de carga horizontal e vertical em estacas do tipo escavadas a trado mecânico e manual, raiz, Strauss e pré-moldada do tipo SCAC na região do campo experimental. Esses ensaios foram executados visando à obtenção de parâmetros geotécnicos do solo, por meio de retroanálise para a utilização em projetos de engenharia. Almeida (1998) previu a capacidade de carga vertical das estacas por intermédio de três diferentes métodos: Método API – American Petroleum Insti- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 359 tute (1989), o Método de Burland (1973) e o Método de Meyerhof Convencional (1976), os quais são referenciados em sua dissertação. Os resultados encontrados apresentaram uma relativa dispersão, em virtude das variadas formulações e simplificações adotadas em cada um dos métodos. De maneira geral, pode-se afirmar que os resultados da previsão versus medição da capacidade de carga das estacas ensaiadas pelo método API (American Petroleum Institute) e pelo Método de Burland apresentaram uma boa previsão da carga de ruptura na maioria das estacas. Já o Método de Meyerhof Convencional foi o que apresentou maior superestimação da carga de ruptura para todas as estacas, sem exceção. Estudando o perfil de solo do campo experimental da UnB, Camapum de Carvalho et al. (1995) observaram que grandes variações de grau de saturação ocorrem predominantemente nos três metros iniciais do perfil de solo, fruto de variações de umidade (∆w) que pode atingir 35% ao longo do ano. No entanto, para profundidades superiores, em condição não saturada, as variações de umidade entre o período mais chuvoso e o mais seco atingem no máximo 8%. A saturação completa, quando presente, situa-se a partir do contato com o solo residual jovem, o que constitui um agente complicador na execução das fundações profundas, pois esses solos são geralmente pouco coesivos e facilmente desmoronáveis. Consequentemente, alternativas como os tubulões e as estacas a trado não conseguem adentrar no manto residual resistente quando saturado. Dessa forma, com a ampliação das cargas de trabalho, difundiu-se o uso em grande escala de técnicas como as estacas tipo hélice contínua, raiz e escavada, com o uso de fluido estabilizante predominando na primeira. As variações de sucção ao longo do perfil intemperizado, que se encontra na condição não saturada, foram estudadas por Guimarães (2002), Delgado (2002), Mota (2003) e Mascarenha (2003), a partir da realização de provas de carga instrumentadas em estacas em diferentes épocas do ano e da determinação da curva característica ao longo do perfil laterizado, conforme ilustra a Figura 9. Figura 9 – Perfil de solo característico do campo experimental de geotecnia da UnB e perfil típico das estacas ensaiadas (Guimarães, 2002; Mascarenha, 2003; Mota, 2003) e curvas características do solo do Campo Experimental da UnB (Delgado, 2002). 360 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Guimarães (2002) e Mascarenha (2003) fizeram campanhas complementares de ensaios de campo e de laboratório para estudar a influência da sucção do perfil de solo e do carregamento cíclico na capacidade de carga das estacas. Entre os ensaios destacam-se os resultados e os perfis de SPT e SPT-T, umidade, sucção e atrito lateral no perfil de solo do campo experimental da UnB, realizados ao longo dos anos, conforme ilustram as Figuras 10 e 11. Figura 10 – Perfis de SPT, Umidade e Sucção do solo campo experimental da UnB (Guimarães, 2002; Mascarenha, 2003). Figura 11 – Perfis de Torque obtidos no SPT-T e Atrito Lateral do solo do campo experimental da UnB (Guimarães, 2002; Mascarenha, 2003). Analisando os resultados, Guimarães (2002) e Mota (2003) observaram que a sucção influencia os resultados do SPT, porém não apresenta influência sobre o torque, pois esse ensaio é realizado sobre a amostra já rompida. Além disso, observaram que a influência da sucção nos resultados do SPT foi mais evidente para o horizonte de solo saprolítico. As diferenças de comportamento das estacas, observadas durante as provas de carga realizadas por Guimarães (2002) e Mascarenha (2003), em diferentes épocas do ano, não são detectadas por ensaio de SPT, que se mostra pouco sensível às variações de sucção no solo poroso colapsível. A falta desse entendimento, ou seja, do mecanismo que leva à variação do comportamento da estaca e não do SPT, havia conduzido, com base em resultados de provas de carga e de capacidades de carga estimadas por diversos métodos semiempíricos baseados no SPT, à proposição de novos coeficientes de Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 361 ajustes regionais para os métodos de dimensionamento fundamentados no SPT (Rodrigues et al., 1998). Entretanto, Mascarenha (2003) alertou para o fato de que a influência da sucção nos valores de N, obtidos em ensaios SPT, mesmo que pequena, não era considerada por esses métodos, podendo provocar grandes discrepâncias e erros de avaliações. Alertou, ainda, que os métodos baseados no SPT-T podem, regionalmente, em sua maioria, apresentarem um superdimensionamento da parcela lateral. Nesse contexto, sobre a discussão da influência da sucção no comportamento das fundações profundas localizadas no manto de intemperismo e, dada a grande dificuldade de se determinar com precisão o perfil de sucção durante a execução da prova de carga e ao longo da vida útil da obra, Mascarenha (2003) propôs que se levasse em conta o índice de umidade regional, determinado com base na infiltração e na evaporação. A Figura 12 (Mascarenha, 2003) mostra a boa correlação existente entre o índice de umidade e os resultados das provas de carga, constituindo-se a proposta em uma contribuição prática para os projetos de fundações. A técnica é extensiva a outras obras geotécnicas, como é o caso da obras rodoviárias e ferroviárias. Figura 12 – Relação entre o índice de umidade (IHU) e os resultados de provas de carga (Mascarenha, 2003). Na Figura 13, são apresentados os resultados de duas provas de cargas realizadas por Guimarães (2002), uma na estaca 4, realizada durante o período chuvoso, e outra na estaca 5, que foi ensaiada no auge do período seco. Os resultados mostram que a carga de ruptura da estaca, além de aumentar com a diminuição da umidade do solo (aumento da sucção), também aumenta com o recarregamento. O ganho de capacidade de carga com o carregamento cíclico da estaca até a apresentação de deformações plásticas, oriundas do colapso estrutural do solo, confirmou a tendência verificada nos ensaios de cisalhamento direto cíclico (Guimarães 2002). Para isolar o efeito do carregamento cíclico do oriundo da influência da sucção, Mascarenha (2003) propôs a utilização de um coeficiente de recarregamento (Cr). Esse coeficiente corresponde à relação entre o logaritmo do acréscimo de carga da estaca e o deslocamento ocorrido entre dois carregamentos nos seus limites plásticos, em ciclos sucessivos, determinado em um 362 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB mesmo período do ano (Figura 14). Os valores de Cr calculados mostram que as grandes variações desse coeficiente ocorrem até recalques acumulados pouco superiores a 10% do diâmetro das estacas. As estacas ensaiadas apresentavam comprimento aproximado de 8 m e 0,30 m de diâmetro. É relevante destacar que, apesar de tender para zero com o aumento excessivo dos deslocamentos, o ganho de resistência no carregamento cíclico não se torna negativo, ou seja, a capacidade de carga nos solos colapsíveis não diminui por efeito do recarregamento, embora possa reduzir em consequência de outras variáveis, como é o caso da redução da sucção já discutida. Do ponto de vista prático, essas observações assumem grande relevância, por exemplo, em um reforço de fundação, em que é possível contar com a carga de ruptura da interação solo estrutura. Figura 13 – Curvas carga versus recalque das estacas 04 e 05 (Guimarães, 2002). Figura 14 – Coeficiente de recarregamento em função do recalque (Mascarenha, 2003). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 363 Analisou-se ainda nessas pesquisas a extrapolação de métodos gráficos na avaliação da carga de ruptura de estacas no manto poroso do Distrito Federal. A Figura 15 apresenta a variação das cargas de ruptura extrapoladas pelos métodos gráficos em função da variação sazonal, confirmando a influência da sazonalidade e, consequentemente, da sucção no desempenho das fundações implantadas na camada de argila porosa colapsível de Brasília. Guimarães (2002) e Mota (2003) verificaram que o método de Van der Veen (1953) foi o que apresentou o melhor ajuste para os casos estudados, pois é um método exponencial e reflete bem o comportamento das curvas carga-deslocamento de estacas escavadas no solo poroso do Distrito Federal. Figura 15 – Cargas de ruptura extrapolada em função da variação sazonal (Mota, 2003). Mota (2003) mostra ainda a relação existente entre as previsões de capacidade de carga obtidas por meio de diferentes métodos, referenciados em sua tese, comumente utilizados na prática de fundações, os quais são baseados em ensaio CPT, SPT e SPT-T (Figura 16). Pode-se observar na Figura 16 que os métodos de Aoki & Velloso (1982) e Bustamante & Gianeselli (1982), com base no ensaio de CPT, estão no limite superior de carga total, ao passo que os de De Ruiter & Beringer (1979) e Philipponnat (1986) encontram-se no limite inferior. Já os métodos baseados nos resultados de SPT e SPT-T apresentam capacidade de carga superior aos métodos de CPT, sem tendência definida com relação à sazonalidade. Salienta-se que esses métodos fundamentam-se em ensaios que são pouco sensíveis à variação de sucção encontrada no manto poroso e não conseguem evidenciar com clareza a influência da sucção na capacidade de carga estimada. 364 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 16 – Previsão da capacidade de carga das estacas do campo experimental obtida por meio da aplicação dos métodos de CPT e SPT/SPT-T (Mota, 2003). 4.2 Comportamento de estacas solicitadas horizontalmente Almeida (1998) realizou provas de carga horizontais sobre estacas verticais no campo experimental da UnB, avaliando a deformabilidade das fundações isoladas do tipo raiz e escavada sob condições de umidade natural e com o solo préinundado. Almeida (1998) usou ainda o Dilatômetro de Marchetti (DMT) para obtenção dos parâmetros geotécnicos para dimensionamento de fundações, tanto a carga vertical quanto a horizontal. A Figura 17 apresenta a capacidade de carga horizontal prevista pela metodologia proposta por Robertson et al. (1989), referenciada em Almeida (1998), e sua consequente comparação com os valores das cargas de ruptura obtidas nas provas de carga horizontal realizadas em estacas escavada e pré-moldada de concreto. Um comentário pertinente a respeito do procedimento dos ensaios reside no fato de que as estacas ensaiadas com carregamento horizontal, na sua maioria, foram ensaiadas com o solo na sua umidade natural e com pré-inundação do solo por 48 horas. Esse procedimento de ensaio foi utilizado para que se pudesse determinar o efeito do colapso do solo em estacas carregadas horizontalmente. (a) (b) Figura 17 – Previsão versus medição da deflexão horizontal na estaca escavada (a) e pré-moldada (b) com o solo na umidade natural e pré-inundado (Almeida, 1998). 365 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB A Tabela 5 (Almeida, 1998) apresenta os parâmetros geotécnicos obtidos a partir do DMT e em laboratório. Utilizando esses dados, o autor comparou os valores dos deslocamentos horizontais estimados por meio de metodologia semiempírica com os obtidos nas provas de cargas horizontais e observou a importante variabilidade e o efeito do colapso quando se inundou o solo. Lima (2001) ampliou as análises iniciadas por Almeida (1998) utilizando metodologias teóricas de simulação de fundações profundas carregadas horizontalmente, com base nas curvas p-y e no coeficiente de reação horizontal do solo. As metodologias mais correntes para uso nesse tipo de análise foram então testadas e uma delas calibrada para o solo poroso do DF. Tabela 5 – Deslocamentos horizontais previstos e observados na carga de trabalho das estacas ensaiadas (Almeida, 1998). Carga Carga de Estaca/ máx. trabalho nomenclatura aplicada (kN) (kN) Escavada (E1n) 56,5 45,0* Escavada (E2i) 56,5 45,0* Escavada (E3n) 75,0 45,0* Escavada (E3i) 82,5 45,0* Escavada (E4n) 75,0 45,0* Escavada (E4i) 82,5 45,0* Raiz (R1n) 21,0 15,0 Raiz (R1i) 21,0 15,0 Raiz (R2n) 21,0 15,0 Raiz (R3i) 21,0 15,0 SCACn 30,0 25,0** SCACi 30,0 25,0** Deflexão y0 (mm) Diferença Umidade do previsão e solo Prevista Medida medição (%) Natural Pré-inundado Natural Pré-inundado Natural Pré-inundado Natural Pré-inundado Natural Pré-inundado Natural Pré-inundado 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 0,90 4,70 4,70 4,70 4,70 8,30 8,30 5,84 11,60 0,97 2,20 1,10 2,86 1,51 2,51 5,10 4,05 8,50 9,70 515 1121 2 131 16 201 -68 -46 8 -14 2 17 OBS: * Carga de trabalho obtida pela extrapolação da carga de ruptura por Van der Venn; ** Carga de trabalho obtida pela extrapolação da carga de ruptura pela norma NBR 6122/1996. 4.3 Interação solo-estrutura (ISE) A interação solo-estrutura (ISE) foi estudada por Soares (2004), que considerou o mecanismo geotécnico complexo, devido principalmente à heterogeneidade do solo, que tem influência direta no comportamento tensão-deformação. Torna-se, portanto, necessário seu entendimento para se poder evidenciar o 366 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB comportamento recíproco em termos de esforços tanto nas estruturas como nos solos. Esse mecanismo está presente em praticamente todos os tipos de obras de engenharia geotécnica e estrutural (construções de túneis, edifícios, aterros, pontes, etc.). As análises feitas para compreender o funcionamento desse mecanismo abrangem, de uma forma geral, estudos experimentais, analíticos e numéricos (estáticos, dinâmicos e transientes). Os estudos experimentais são feitos, na maior parte dos casos, com base em instrumentações de obras, e os numéricos com base em métodos como elementos finitos e elementos de contorno, podendo ser realizadas análises do ponto de vista global e local. Entenda-se “global” como sendo, por exemplo, o estudo da interação entre um edifício completo e a Fundação (Elemento Estrutural + solo adjacente), e “local” o caso específico da interação de um elemento particular de fundação no contato direto com o solo. Soares (2004) realizou uma análise tridimensional da interação solo-estrutura (ISE) de um edifício de múltiplos andares, com o objetivo de evidenciar e quantificar os efeitos dessa interação em relação aos esforços tanto nos elementos da superestrutura como nos elementos de fundação. No estudo, o solo foi investigado por meio de sondagens de simples reconhecimento (SPT) e por meio de prova de carga lenta em estaca escavada instrumentada. Da prova de carga obteve-se a curva carga versus recalque, juntamente com a distribuição de carga ao longo do comprimento da estaca. Mediram-se ainda as cargas em alguns pontos da estrutura e controlaram-se os recalques ao longo da sequência construtiva da edificação. Inicialmente, Soares (2004) modelou o solo em camadas, de acordo com o perfil oriundo do SPT, e a estaca com base nas informações da prova de carga e das propriedades do concreto. Realizando retroanálise por meio dos programas Plaxis 2D e 3D, obteve os parâmetros do solo: coesão c’(kPa), ângulo de atrito ϕ’ (º), módulo de elasticidade E (MPa), coeficiente de Poisson ν e pesos específicos γd (kN/m3) e γn (kN/m3) (Figura 18 e Tabela 6). Figura 18 – Modelos 2D e 3D do Solo e Fundações estudados (Soares, 2004). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 367 Tabela 6 – Parâmetros do solo retroanalisados da prova de carga (Soares, 2004). Camada Prof. (m) E (MPa) 1ª 2ª 3ª 0 – 5,0 5 – 13,4 13,4 – 25,0 20 60 120 V c (kPa) 0,3 0,3 0,3 10 12 5 φ (º) 27 27 27 γd (kN/ γn (kN/ m 3) m 3) 13,8 18,0 13,8 18,0 17,0 18,0 NSPT 0-3 5-20 20-50 Sabendo que os engenheiros estruturais geralmente não consideram a deformabilidade do solo, ou seja, são impostas condições de engastamento em todos os pilares como se o edifício estivesse assente em uma camada rochosa de rigidez infinita, Soares (2004) mostrou, em suas análises, que essa situação desconsidera a interação entre o solo e a estrutura, podendo, em alguns casos, superdimensionar ou, pior, subdimensionar alguns elementos das fundações e da superestrutura. Como os programas estruturais e geotécnicos funcionam de forma independente, o cálculo geralmente é feito separadamente, o que tem despertado o interesse de alguns pesquisadores em compreender os efeitos da ISE. Atualmente, alguns programas comerciais permitem flexibilizar os apoios da edificação, normalmente por meio da utilização de apoios flexíveis lineares, regidos matematicamente por coeficientes de mola (k). O grande problema enfrentado por esses calculistas diz respeito ao emprego adequado dos referidos coeficientes ( k ) nos apoios da estrutura, pois cada apoio possui, em estruturas tridimensionais, 6 graus de liberdade (3 rotações e 3 translações), sendo necessários 6 coeficientes de mola para representar melhor a flexibilização dos apoios. Soares (2004) propôs, para o estudo da interação solo-estrutura, um fluxograma (Figura 19), em que a sequência de cálculo é iniciada com o lançamento das informações do projeto estrutural (dimensões das peças estruturais e carregamentos atuantes) em um programa de cálculo. Nesse caso, foi utilizado o programa estrutural da TQS. Obtêm-se as reações e os esforços na superestrutura na situação de cálculo convencional (pilares engastados). Em seguida, essas reações são impostas às fundações modeladas no PLAXIS 3D, que possui parâmetros de solo oriundos da retroanálise da prova de carga, e realiza-se o cálculo numérico para obtenção das tensões e dos deslocamentos. De posse dos deslocamentos, e sendo conhecida a carga aplicada, obtêm-se os coeficientes de rigidez (k1). Voltando ao TQS e aplicando-se nos apoios do edifício esses coeficientes, um novo cálculo é efetuado com a flexibilização das fundações (ISE). Assim sendo, são obtidas novas reações e esforços na superestrutura. Depois essas reações são aplicadas novamente como cargas nas fundações modeladas no PLAXIS 3D, e novos valores de (k2) são determinados. Novamente, os novos valores de (k2) são lançados no TQS e obtidos as novas reações e esforços na superestrutura. Em seguida, volta-se a repetir a interação, até se observar que a diferença nos valores de k (kn+1 – kn) seja mínima, de modo a finalizar o processo por convergência. 368 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Soares (2004) também avaliou os resultados com e sem interação solo-estrutura, considerando-se as fases construtivas. Nessa análise, os resultados obtidos em termos de cargas normais em vários pilares para 25%, 50%, 75% e 100% da carga final atuante no edifício mostraram que, apesar dos pequenos recalques medidos na edificação (máximo 6 mm), houve uma redistribuição de cargas devido à ISE. Soares (2004) também observou que o efeito da interação solo-estrutura pode ser observado em termos de carga nos pilares, principalmente nos primeiros pavimentos (até o terceiro) independente do nível de carregamento imposto pela sequência construtiva. Outro ponto importante avaliado no trabalho de Soares (2004) foi a medição dos recalques e da velocidade destes em alguns pilares da obra. Depois de várias simulações numéricas considerando ISE, foram comparados os valores medidos com os calculados, em que foi observada uma tendência benéfica de uniformização dos recalques devido ao efeito da ISE. Figura19 – Fluxograma com a sequência para cálculo utilizando o TQS e Plaxis 3D (Soares, 2004). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 369 4.4 Comparação entre resultados de provas de carga estática e ensaios dinâmicos A avaliação comparativa dos resultados de provas de carga dinâmica e estática sobre estacas foi realizada por Foá (2001), fazendo uso de fundações prémoldadas de concreto cravadas no campo experimental da UnB e estacas metálicas cravadas em solo arenoso na cidade de Salvador-BA. Baseados na teoria da equação da onda e a partir de dados de instrumentação dinâmica in situ, a pesquisa realizada por Foá (2001) teceu importantes considerações sobre o ensaio de carregamento dinâmico de energia crescente nos projetos de fundações profundas. Seus estudos partiram de comparações de ensaios dinâmicos com as provas de carga estática lenta, tradicional, com ensaios de campo envolvendo casos reais de obra. Os dados da instrumentação dinâmica foram obtidos com o equipamento PDA (Pile Driving Analyzer) e modelados com os programas numéricos CASE (Case Institute of Technology) e CAPWAPC (Case Pile Wave Analysis Program Continuous Model), conforme Figura 20. Foá apresentou a comparação de uma prova de carga estática com os resultados obtidos nos ensaios dinâmicos. Também foram feitas análises de transferência de carga, atrito lateral, “quake” da ponta, eficiência do sistema de cravação e correlação entre a prova de carga estática e os ensaios dinâmicos. Figura 20 – Curva carga versus deslocamento da prova estática e golpe 4 do CAPWAPC, estaca pré-moldada cravada no campo experimental da UnB (Foá, 2001). O trabalho de Foá (2001) contribuiu para a geração de novos conhecimentos na engenharia geotécnica e demonstrou o alto potencial de utilização dos ensaios de carregamento dinâmico, com o uso de níveis de energia crescente, nos projetos de fundações profundas. 370 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 4.5 Contribuições para a análise dos resultados de provas de carga estáticas Camapum de Carvalho et al. (2008) mostraram que os resultados de provas de carga podem trazer outras informações importantes para o projeto, como, por exemplo, saber a que nível de carga a ponta da estaca ou a base do tubulão começa a ser mobilizada. Conhecer essas fronteiras é relevante para que se defina a carga de trabalho a ser adotada, considerando-se não só a capacidade de carga, mas também as características de deformabilidade do conjunto solo e fundação. Procurando definir essa fronteira, especialmente a das estacas tipo hélice contínua, Camapum de Carvalho et al. (2008) realizaram uma série de análises complementares à curva-recalque que levaram em consideração o comportamento característico de cada solo e os mecanismos de interação entre a estrutura de fundação e o solo suporte. Foram analisados os resultados de inúmeras provas de carga realizadas sobre estacas hélice contínua. O método proposto por Camapum et al. (2008) foi desenvolvido a partir da necessidade de se entender e definir o comportamento das fundações, pois os resultados das provas de carga, muitas vezes, não apresentam uma mudança clara de comportamento nas curvas carga versus recalque, principalmente nos casos em que se tem a alteração da estrutura do solo em função da carga. É evidente que a instrumentação da estaca resolveria o problema; no entanto, essa prática eleva significativamente o custo do ensaio e requer maior tempo de preparação e mão-de-obra especializada. Os autores trabalharam com o coeficiente de recalque ou de deslocamento extraído da parte final linear das curvas de recalque (mm) em função do tempo, em escala logarítmica (Figura 21). Dessa forma, foi obtido o gráfico mostrado na Figura 21, em que o primeiro ponto de inflexão corresponderia à carga de início de trabalho da ponta e o segundo ao início das deformações plásticas do conjunto fuste mais base. A ideia surgiu da clássica interpretação dos ensaios de adensamento quanto à determinação do coeficiente de adensamento secundário, com a diferença de que se trabalha aqui com o recalque medido em milímetros e não em termos de deformação específica, ou com a variação do índice de vazios como utilizado naquele caso. Devido à linearidade da parte final das curvas recalque versus tempo em escala logarítmica, pode-se ainda, a partir desse gráfico, estimar os recalques em longo prazo, que poderão ser significativos ao ultrapassarem o que se convencionou chamar de pontos de início da plastificação. Figura 21 – (a) Curvas tempo versus deslocamento vertical e (b)carga versus coeficiente de recalque (Camapum et al., 2008). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 371 Os autores complementaram essa análise traçando-se curvas de recalque imediato, acumulado ao longo da prova de carga, e do recalque pós-recalque imediato acumulado, que os autores intitularam de recalque por adensamento e/ou secundário. Os gráficos obtidos foram semelhantes ao mostrado na Figura 21 para o coeficiente de recalque, corroborando, assim, com o entendimento estabelecido. No momento estão em andamento provas de carga instrumentadas para confirmação dessa teoria e, se necessário, ajustes das hipóteses estabelecidas. 4.6 Contribuição aos projetos em estacas hélice contínua A estaca tipo hélice contínua é um avanço relativamente recente na engenharia de fundações e só recentemente foi introduzida no Distrito Federal. Para compreender o seu comportamento nos solos regionais, Silva et al. (2002) publicaram os primeiros resultados sobre a adaptabilidade da solução aos solos do Distrito Federal e compararam as capacidades de carga obtidas pelos principais métodos de dimensionamento, baseados em SPT, SPT-T e CPT, com o resultado obtido em uma prova de carga estática e instrumentada executada em uma estaca hélice contínua com diâmetro de 40 cm e 18,00 m de comprimento (Figuras 22 e 23). Os resultados calculados variaram entre si. Em relação ao resultado obtido na prova de carga, a comparação, mostra que os métodos de Aoki e Veloso (1975) e do Eurocpt (1979) ofereceram valores próximos ao da carga de início da plastificação. No entanto, se for considerado, por exemplo, o critério de ruptura correspondente a 10% do diâmetro da estaca, os métodos de Antunes & Cabral (1996) e de Décourt & Quaresma (1978) seriam os que mais se aproximariam. Todos os métodos citados foram detalhados e referenciados em Silva et al. (2002). Os autores, porém, decidiram por prosseguir com as investigações de modo a cobrir outros perfis de solo. Figura 22 – Transferência de carga ao longo da profundidade (Silva et al., 2002). 372 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 23 – Resultado comparativo dos métodos de capacidade de carga baseados no SPT, SPT-T e CPT com a prova da carga (Silva et al., 2002). Magalhães (2005) estudou os principais métodos de determinação da capacidade de carga de estacas tipo hélice contínua, utilizando um banco de dados nacional e regional. Para as provas de carga desse banco de dados e a partir de uma análise estatística, compararam-se as previsões pelos diversos métodos semiempíricos baseados no ensaio de SPT e SPT-T com os resultados experimentais. Foram analisadas as formulações originais dos métodos, bem como as alterações propostas para os coeficientes utilizados, buscando-se melhorar a precisão e a confiabilidade de cada método. Verificou-se que os métodos de Antunes & Cabral (1996), Gotlieb et al. (2000) e Décourt & Quaresma (1978 – modificado em 1996) foram os que apresentaram os melhores resultados, tanto nas formulações originais quanto para os ajustes propostos na dissertação (Tabela 7). Magalhães (2005) comparou também os recalques medidos nas provas de carga constantes do banco de dados analisado, com as previsões elásticas dos métodos de Poulos & Davis (1980) e Randolph & Wroth (1978) verificando uma boa aproximação por esses métodos elásticos. E, finalmente, constatou que o comportamento carga-recalque das provas de carga de Brasília, DF, e Goiânia, GO, seguiu a tendência do banco de dados nacional. Os métodos utilizados por Magalhães (2005) estão detalhados e referenciados em sua dissertação. Araújo et al. (2009) analisaram os dados obtidos durante o monitoramento na execução de 6 estacas hélice contínua, verificando se estes possuíam relação com os resultados dos ensaios SPT e com as capacidades de carga obtidas por meio da execução de provas de carga. Com o estudo, obtiveram-se os primeiros resultados para diferentes tipos de solo das cidades de Brasília e Goiânia, resultando em relações entre os resultados do torque medido na execução, o SPT e a capacidade de carga determinada por meio de cálculo e das provas de carga. Nas análises comparativas entre torque e SPT, percebeu-se que as duas variáveis Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 373 são dependentes e proporcionais (Figura 24). Verificou-se ainda que se pode relacionar com confiabilidade o torque acumulado com a capacidade de carga da estaca para o solo estudado. Com isso, apresentaram uma metodologia simples e confiável para controle das fundações executadas em estacas hélices contínua monitoradas. A rotina sugerida no estudo foi disponibilizada e está sendo usada como técnica de controle por empresas que atuam na área. Tabela 7 – Comparação entre os métodos originais (esquerda), métodos ajustados (direita) versus provas de carga estáticas (Magalhães, 2005). (a) (b) Figura 24 – Capacidade de carga última (a) versus torque acumulado e (b) versus NSPT (Araújo et al., 2009). Costa (1996) iniciou estudos pioneiros no Distrito Federal e no CentroOeste sobre o uso do ensaio de integridade de estacas (PIT) para uso em fundações profundas, em particular as do tipo hélice contínua. A Figura 25 apresenta a foto do equipamento adquirido na ocasião e mostra um dos primeiros ensaios realizados. Desde então, pode-se estimar que mais de 4000 estacas já tenham 374 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB sido testadas na região por essa técnica, a qual se mostrou extremamente eficaz e racional no sentido de prever possíveis problemas futuros na fundação e/ou diagnosticar práticas maléficas de execução da fundação. Recentemente, após mais de uma década de experiência, foi apresentado por Cunha (2008) o critério de classificação da qualidade da estaca que vinha, e ainda vem, sendo utilizado desde então (com pequenas mudanças e refinamentos ao longo do tempo) nos resultados do ensaio PIT em obras avaliadas no Distrito Federal e no CentroOeste em geral. A Figura 26 mostra um exemplo do critério de classificação “A” desse autor. Figura 25 – Foto do equipamento PIT adquirido pela UnB em 1996. Figura 26 – Exemplo de resultado PIT para um critério de classificação (Cunha, 2008). 5 Outros Aspectos Estudados para as Fundações Profundas Anjos (2006) executou provas de carga em grupos de estaca do tipo hélice contínua em verdadeira grandeza, assentes no campo experimental da UnB. Além disso, efetuou provas de carga em tubulões de forma a entender melhor o mecanismo de carga e o deslocamento, além de avaliar e calibrar métodos de Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 375 simulação com base em ensaios de campo (SPT, CPT). No trabalho, Anjos (2006) ampliou o entendimento a respeito da capacidade de suporte e da relação carga-deslocamento de fundações profundas tipicamente empregadas no Distrito Federal, como, por exemplo, as estacas escavadas, os tubulões e as estacas do tipo hélice contínua. O estudo experimental fez-se acompanhar de simulações numéricas do comportamento dessas fundações. Usaram-se resultados de ensaios SPT e CPT como forma de verificação das análises de capacidade de suporte propostas. Na análise das relações carga-deslocamento obtidas nas provas de carga, utilizou-se a metodologia de Fleming (1992), que adota funções hiperbólicas para representar a relação carga-deslocamento, tanto do fuste quanto da base, a qual se mostrou adequada, sobretudo na estimativa da carga de trabalho (Figura 27). Devido à sua simplicidade e fácil aplicação, sua utilização em projetos foi sugerida para uso prático. Anjos (2006) propôs ainda uma adaptação do método de Paikowsky (1999) para estimar a carga limite de fundações escavadas a partir de provas de cargas que não foram levadas à condição de “ruptura”. O método proposto baseia-se nas metodologias de Chin (1970) e Davisson (1970), cujo valor da carga limite está associado a certo valor de deslocamento. Os resultados, em termos de carga e deslocamento, mostraram-se realistas e satisfatórios, em especial para os deslocamentos associados à carga limite. Avaliou-se também a influência da tensão residual nos resultados de provas de carga instrumentadas. Para esse fim, utilizou-se o software Unipile (Goudreault & Fellenius, 1990). Anjos (2006) observou que negligenciar o efeito da tensão residual conduz a erros na interpretação das cargas em profundidade. Por exemplo, as cargas estimadas na base são menores, enquanto que as do fuste são maiores, quando comparadas com a distribuição “real” obtidas de provas de carga vertical. Todos os métodos utilizados e a metodologia sugerida encontram-se detalhados e referenciados em Anjos (2006). Figura 27 – Metodologia de Fleming aplicada à estaca escavada. 376 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Por fim, Anjos (2006) realizou provas de carga em grupos de fundação carregados verticalmente (1, 2 e 3 estacas tipo hélice contínua) no Campo Experimental da UnB e fez análises numéricas em um estaca escavada e em um tubulão executados nesse local. Nesse caso, utilizou-se tanto de funções de transferência de carga quanto dos softwares Geo4 (módulo Piles) e Plaxis 2D. Os resultados mostraram-se satisfatórios, em particular na estimativa da carga de trabalho. Importante trabalho foi realizado por Moura (2007), que estudou e detalhou as fundações para aerogeradores assentes em areia de duna no Município de Fortaleza, CE, onde foram verificados os métodos de capacidade de carga e recalque com base em ensaios convencionais de campo, entre os quais SPT, e PMT (pressiômetro de Ménard), observando sua adaptabilidade no dimensionamento das fundações superficiais para esse tipo de estrutura. 6 Conclusões O ganho de conhecimento gerado pelo Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB em termos de publicações, de formação de pessoal, de troca de experiência indústria-academia, de técnicas inovadoras, know how implantados na região e de cursos ministrados tem sido, sem dúvida, fundamental para o progresso tecnológico e para o desenvolvimento do Centro-Oeste e do país como um todo. Uma pequena parte desse conhecimento, voltado à área de fundações, está aqui descrito. Referências Bibliográficas Almeida, N.J. (1998). 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Trabalhos antigos como Zeevaert (1957), Kishida e Meyerhof (1965) e Poulos (1968) já mencionavam situações que hoje se encaixariam nesse tipo de fundação. Entretanto, somente a partir da década de 80 que um maior interesse pelo tema pode ser notado nas pesquisas internacionais. Três grandes grupos de pesquisadores merecem ser citados pelos relevantes trabalhos desenvolvidos: o grupo australiano, com as contribuições de Poulos, Randolph, Small e outros; o grupo italiano, com Viggiani, Mandolini e colegas, e o grupo alemão, com os trabalhos de Franke, El-mossalamy, Reul e parceiros. No Brasil, o grupo da UnB foi um dos pioneiros a se dedicar sistematicamente ao tema a partir de 1997, com o desenvolvimento de trabalhos teóricos, experimentais e numéricos. Muito se avançou, mas muito ainda pode ser explorado nesta forma moderna de se encarar uma fundação mista e que ainda não é contemplada na maioria das normas internacionais. A seguir, são resumidos os trabalhos realizados nesses últimos 12 anos de dedicação ao tema. Sales (2000), em um trabalho pioneiro nesta área, fez uma revisão crítica do comportamento de sapatas estaqueadas e de radiers estaqueados, apresentando definições, a motivação de seu estudo e o desempenho de obras que empregaram essa alternativa de fundação. Nesse trabalho, foram realizadas nove provas de carga no Campo Experimental da UnB, para avaliar o desempenho de elementos isolados, bem como associados na forma de grupo ou sapatas estaqueadas. Os testes foram realizados tanto na condição natural de umidade do solo, como na situação pré-inundada, como mostrado nas Figuras 1 e 2. 382 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 1 – Vista de um grupo de quatro estacas ensaiadas. Figura 2 – Prova de carga de uma sapata sobre quatro estacas, em andamento. Os testes foram interpretados com o auxílio do programa GARP (Poulos, 1994), gerando resultados muito interessantes. Tais resultados foram mencionados no artigo State-of-the-art do XVI ICSMGE “Pile foundations: experimental investigations, analysis and designs”, em Osaka, por Mandolini et al. (2005). Essa tese ainda propôs uma nova metodologia para considerar a resposta de estacas totalmente mobilizadas em situações de “sapatas estaqueadas”. O novo método foi implementado no programa GARP, denominando-se essa nova versão de GARP7, apresentada na forma de equações simples, passíveis de serem usadas na fase preliminar do projeto de uma sapata estaqueada. Aplicouse esse novo método a dois dos testes realizados no Campo Experimental da UnB e também a outros dois encontrados na literatura. O novo método simulou de forma mais satisfatória os resultados experimentais (Figura 3). A partir desse trabalho, iniciou-se uma profícua interação entre a Universidade de Brasília e a University of Sydney (Australia), aproximando o grupo brasileiro coordenado pelo Prof. Renato Cunha com o experiente e reconhecido grupo do Prof. Harry Poulos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 383 Figura 3 – Comparação entre o teste realizado por Décourt (1996) e diferentes previsões para uma sapata sobre uma estaca. Bezerra (2003) retroanalisou as fundações testadas por Sales (2000) utilizando diferentes programas e discutindo a importância dos parâmetros envolvidos no desempenho desse tipo de fundação. A Figura 4 ilustra a importância do contato solo-radier na mobilização das cargas nas estacas. Bezerra (2003) realizou análises numéricas pioneiras de fundações do tipo radier estaqueado carregadas horizontalmente no Distrito Federal, com o auxílio do programa APRAFR (Zhang, 2000). Foi feita uma análise paramétrica dos fatores que interferem na resposta dessas fundações quando submetidas a carregamentos combinados. Os resultados alcançados ressaltaram que a previsão do comportamento carga-recalque torna-se mais complexa e, em alguns casos, atinge valores inesperados quando esforços horizontais estão envolvidos. A Figura 5 ilustra a distribuição de carga ao longo de uma estaca sob um radier quando cargas verticais e horizontais são aplicadas a esse sistema. O autor ainda reforçou a potencialidade do emprego desse tipo de fundação. Destacou que ações de otimização do posicionamento das estacas e sua geometria poderiam resultar em soluções mais econômicas sem comprometer a segurança da fundação. Figura 4 – Distribuição de cargas verticais ao longo de uma estaca. Previsão com o programa APRAFR do ensaio VI de Sales (2000). 384 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 5 – Distribuição de carga ao longo da estaca central: (a) carregamento vertical, (b) carregamento horizontal. Sousa (2003) executou provas de carga em fundações do tipo radier estaqueado no mesmo tipo de solo previamente efetuado por Sales (2000). Sousa (2003), no entanto, estendeu o estudo do comportamento experimental dessas fundações quando assentes sob estacas de solo cimento e compactadas com mistura areia-brita, para uso em projetos de conjuntos habitacionais de pequeno porte. Foram realizadas várias provas de carga sobre estacas isoladas, com diferente constituição, e em sapatas sobre uma, três e cinco estacas. Em todas as combinações foram realizados testes em solo com umidade natural e na situação “previamente inundado”. Os resultados permitiram uma análise do mecanismo de transferência de carga de uma fundação assente no solo melhorado, bem como o desempenho das estacas de acordo com o tipo de material. Finalmente, apresenta-se uma nova metodologia de execução de fundações para a região, em especial para casas populares ou obras de pequeno porte. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 385 As Figuras 6 e 7 ilustram o arranjo das estacas ensaiadas e o aparato empregado nas provas de carga, respectivamente. Figura 6 – Arranjo dos grupos de estacas ensaiadas na forma de radier estaqueado. Figura 7 – Arranjo e equipamentos utilizados nas provas de carga de uma sapata sobre estacas curtas de solo-cimento ou em material granular compactado (areia-brita-cimento). 386 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Passos (2005) estudou o desempenho de provas de carga em placas realizadas em um depósito de areia fofa melhorado pela execução de estacas de areia compactada. A pesquisa envolveu a construção de um depósito arenoso fofo, em modelo reduzido, mas em campo, cujo melhoramento foi feito com estacas de areia e brita. A execução das estacas foi de forma semelhante à técnica empregada na região Nordeste do Brasil, adaptando-se o equipamento do SPT para tal fim. A eficiência do melhoramento foi avaliada a partir de ensaios in situ realizados antes e após a execução das estacas. Tais ensaios incluíram SPT (Standard Penetration Test), CPT (Cone Penetration Test), DMT (Dilatometer Test), DPL (Dynamic Probing Light) e provas de carga sobre placas. A Figura 8 mostra a construção do maciço de areia fofa, execução das estacas de melhoramento e alguns ensaios in situ realizados para a caracterização do material. A Figura 9 apresenta um layout das provas de carga realizadas sobre o solo melhorado e placas sobre estacas compactadas. Figura 8 – Construção do bloco de areia fofa, melhoramento com a execução de estacas de areia compactada e a realização de ensaios in situ. Os resultados das provas de carga sobre placas foram analisados e comparados com as previsões feitas pelo método híbrido (GARP) e com o método dos elementos finitos usando o programa PLAXIS 3D, a partir da retroanálise dos ensaios. Esse procedimento conseguiu prever, de forma razoável, os resultados de campo em termos de resposta carga x recalque do sistema de fundação. A Figura 10 ilustra as malhas utilizadas nas análises 3D. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 387 Figura 9 – Arranjo das provas de carga realizadas. Figura 10 – Simulação numérica das provas de carga realizadas. Os resultados dos ensaios in situ aliados às análises numéricas mostraram que a deformabilidade das estacas é da mesma ordem de grandeza daquela do solo melhorado. Dessa forma, acredita-se que, para o caso estudado, as fundações superficiais assentes sobre esse tipo de material podem ser tratadas como sapatas sobre um solo melhorado equivalente e não como sapatas estaqueadas. Observou-se, ainda, que o melhoramento promove aumento das tensões horizontais do maciço tratado e que o efeito da cravação do tubo é mais significativo na densificação do maciço do que a compactação durante a confecção da estaca. Cordeiro (2007) abordou o tema de fundações estaqueadas contendo uma ou mais estacas com algum tipo de dano. São apresentados os principais danos ocorridos nas fundações estaqueadas e alguns casos reportados na literatura sobre reforço de fundações, previsão de capacidade de carga e recalque em grupos de estacas com alguma estaca danificada. Foram realizadas análises paramétricas para alguns grupos de estacas nas situações de grupo intacto, grupo danificado e grupo reforçado, avaliando os resultados em termos de capacidade de carga, de resposta carga x recalque da 388 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB fundação e a parcela de carga absorvida por cada elemento de tal sistema nas três situações. A Figura 11 mostra um exemplo de bloco estudado, e a Figura 12, diferentes formas de reforço. Figura 11 – Exemplo estudado de radier sobre seis estacas. Figura 12 – Diferentes posições de estacas danificadas e de estacas introduzidas para reforçar o radier estaqueado. O trabalho ressaltou a importância da posição e da rigidez das estacas no comportamento do grupo de estacas. Mostrou que cada grupo com estacas adicionais deveria ser enfocado como uma nova fundação. A dissertação destacou, ainda, que a melhor posição e rigidez ótima deveriam ser investigadas e que, em alguns casos, usando menor rigidez nas estacas adicionais, poder-se-ia obter um reforço mais barato e ainda alcançar comportamento geotécnico mais favorável. Lima (2007) revisou diversas metodologias sobre otimização de projetos de engenharia e sobre sua potencialidade de aplicação ao campo das fundações. Foi dado um enfoque maior aos métodos para otimização de problemas discretos. Foi elaborada uma rotina de otimização baseada no método “Branch and Bound”, a qual foi implementada utilizando o programa GARP como uma subrotina do programa de otimização. Esse programa partia de uma geometria de Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 389 radier estaqueado com as diversas posições possíveis das estacas e carregamentos definidos. A rotina de otimização buscaria a solução ótima (menor custo) da fundação, investigando o melhor posicionamento das estacas e altura mínima do radier que atendesse aos critérios técnicos impostos de aceitação (recalque absoluto máximo, distorção angular máxima, etc.). A Figura 13 ilustra um exemplo estudado de um radier sobre até nove estacas, podendo o carregamento ser distribuído ou concentrado sobre a placa. Dependendo do recalque máximo imposto, o programa encontrava a alternativa de menor custo e a definição do posicionamento ideal para as estacas. A Tabela 1 exemplifica diferentes resultados com imposições de recalques máximos entre 20 e 40 mm. As análises dos diversos exemplos estudados mostraram a importância da aplicação de métodos de otimização em projetos de radier estaqueados. Para situações mais complexas, com diferentes carregamentos e vários pilares sendo suportados por um só radier, a posição ótima e o número de estacas pode surpreender bastante a “intuição” de tentativas manuais de otimização. Num último exemplo, Lima (2007) retomou um caso apresentado por Sales et al. (2002), que apontava a possibilidade de redução de 25 para 13 estacas de um radier estaqueado na cidade de Taguatinga-DF, para atender um recalque máximo de 10 mm, por meio de tentativas manuais de novas configurações. O programa de Lima (2007) encontrou alternativas com apenas três estacas sob o radier que atenderiam ao mesmo critério, mostrando, assim, a importância e potencialidade do método. (a) (b) Figura 13 – Perfil de solo (a) e malha com os elementos e possíveis posições das estacas (b), usados na análise de um exemplo de radier sobre até nove estacas. 390 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tabela 1 – Melhores configurações encontradas na otimização do radier apresentado na Figura 13, perfil 1 de solo. Load case Maximum allowed settlem. (mm) Pile configuration Maximum computed settlem. (mm) Minimum Raft % load computed thickness on the settlem. (m) raft (mm) Cost (US$) 40 36.78 27.39 1.0 61.43 29,012 35 32.67 26.62 1.0 50.43 31,369 30 29.78 24.63 1.0 36.61 33,725 25 24.65 21.99 1.0 21.62 43,150 Not possible 20 40 37.89 25.47 1.0 47.40 31,369 35 33.18 21.55 1.0 31.25 36,081 30 29.68 16.65 1.0 16.57 45,506 25 24.72 21.30 1.70 19.75 62,516 20 Not possible COMENTÁRIOS FINAIS Outras teses e dissertações encontram-se em andamento na UnB e também em parceria com a UFG, para explorar distintos fatores intervenientes na análise de um radier estaqueado. Nesta última década, os resultados obtidos no estudo de radier estaqueado foram apresentados à comunidade científica e diversos conceitos já foram incorporados pelos projetistas de fundação da região. A crescente tendência de construção de edifícios cada vez mais altos aumenta ainda mais a necessidade de melhor conhecer o desempenho de radier estaqueado e, com isso, alimenta o interesse do grupo de pesquisadores envolvidos com o tema. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Bezerra, J.E. (2003). Estudo do Comportamento de Fundações em Radier Estaqueado: Conceitos e Aplicações. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 391 Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, Brasília, DF. Publicação G.DM-104A/03, 235 p. Cordeiro, A.F.B. (2007). Avaliação Numérica de Reforço de Grupo de Estacas pela Introdução de Estacas Adicionais. Dissertação de Mestrado, Programa de Pós-Graduação em Geotecnia, Universidade de Brasília, Brasília. Publicação G.DM 155A/07. 118 p. Décourt, L. (1996). Comportamento de uma Estaca-T Submetida a Carregamentos Elevados. In: SEMINÁRIO DE ENGENHARIA DE FUNDAÇÕES ESPECIAIS E GEOTECNICA, 3, ABMS/ABEF, São Paulo, v.1, p. 205-213. Kishida, H.; Meyerhof, G.G. (1965). Bearing Capacity of Pile Groups Under Eccentric Load in Sands. Proc. 6th ICSMFE, Toronto, v.2, p. 270-274. Lima, B.S. (2007). Otimização de Fundações Estaqueadas. 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PhD Thesis, University of Sydney, Capítulo 18 Caracterização tecnológica de sistemas de contenção de rejeitos de minério de ferro construídos com a técnica do aterro hidráulico Luis Fernando Martins Ribeiro André Pacheco de Assis Joice Gonçalves Milonas 1 INTRODUÇÃO A mineração compreende um conjunto complexo de atividades necessárias para a extração econômica de bens minerais da crosta terrestre. Essa atividade representa um dos segmentos da economia que muito contribui para o desenvolvimento de um país, gerando riquezas e viabilizando tecnologias que promovem o bem-estar e a melhoria da qualidade de vida. O Brasil produz uma grande quantidade de substâncias minerais. Em termos de participação na produção mundial de matérias-primas de origem mineral em 2004, o país deteve uma posição privilegiada, ressaltando a posição do nióbio (91,4%), primeiro lugar, seguidos pelo ferro (20,8%), tantalita (20,1%) e alumínio (13,4%), que ocupam a segunda posição no ranking mundial (DNPM, 2005). Com relação ao minério de ferro, o Brasil possui 7,2% das reservas mundiais e está em quinto lugar entre os países detentores de maiores quantidades de minério. Em termos de metal contido nas reservas, o país ocupa um lugar de destaque no cenário mundial. Isto ocorre devido aos altos teores de ferro em seus minérios (50 a 60% nos itabiritos e 60 a 69% nas hematitas). Com relação à distribuição das reservas no território brasileiro, têm destaque os estados de Minas Gerais, Pará e Mato Grosso do Sul. No contexto da produção de minério, a produção de resíduos é inevitável. Durante a operação de lavra são gerados os estéreis, rocha ou solo sem valor econômico que pode ocorrer interna ou externamente ao corpo do minério. A disposição desses materiais tem demandado, de maneira crescente, a aplicação de princípios geotécnicos, tanto pelo grande porte que os sistemas de disposição têm assumido como pelas restrições ambientais. Na fase de concentração, são gerados os rejeitos, partículas sólidas sem valor econômico ou pouco atrativas economicamente. Com o aprimoramento das técnicas de lavra e beneficiamento, motivado pela necessidade de redução dos custos de produção, a mineração vem aproveitando jazidas com teores cada vez menores, resultando no aumento do porte dos empreendimentos e, com isso, gerando mais rejeitos (Abrão & Oliveira, 1998). 394 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Tendo em vista a grande quantidade de rejeitos gerados nas atividades mineradoras, cresce a necessidade de melhorar a qualidade e segurança dos sistemas de disposição. No Brasil, os rejeitos são mais comumente depositados na superfície, sendo a técnica de aterro hidráulico adotada pelas mineradoras por razões de ordem prática e econômica. No país, existem barragens para contenção de rejeito com alturas de cerca de 100 m e com grandes áreas de acumulação. Porém, foi a partir dos anos 70 que surgiram números mais expressivos de barragens para contenção de rejeitos de mineração que agregavam as técnicas disponíveis na Engenharia Civil para obras similares (Franco & Mascarenhas, 1995). A elaboração de legislações ambientais em todo o mundo, acrescida dos impactos negativos decorrentes da eventual ruptura dessas barragens, implicou a necessidade de grandes investimentos por parte das empresas de mineração para o atendimento das especificações e normas reguladoras Segundo Veesaert et al. (2005), apesar do empenho dos órgãos fiscalizadores, ainda não existe no Brasil uma legislação específica para a segurança de barragens. Segundo esses autores, conseguir um procedimento de projeto, operação e manutenção de barragens totalmente isento de riscos, com relação à segurança, é impossível, devido às incertezas associadas com as condições de fundações, propriedade dos materiais e condições externas de carregamento. Os autores relatam que a maioria das perdas por ruptura de barragem durante o século passado foi provocada por falha humana e negligência, podendo ser acrescentado o empirismo utilizado durante anos para a construção dessas estruturas em aterro hidráulico. Nota-se que durante anos o processo de hidromecanização foi utilizado na construção de diques, desvios de rios, barragens de contenção de cheias, sendo a única forma econômica e viável de construir essas estruturas. É claro que o desenvolvimento da ciência revelou incertezas e problemas que o empirismo ou a própria experiência não puderam responder. No entanto, não se pensou em desenvolver, naquela época, técnicas de projeto e metodologias construtivas que minimizassem os riscos de rupturas, como ocorreu com os aterros compactados, e assim a técnica de aterro hidráulico se tornou muito pouco utilizada em detrimento da técnica de compactação. De uma maneira geral, os problemas estão associados às características dos projetos e à falta de controle da metodologia construtiva, já que a maioria das obras é desenvolvida por princípios intuitivos e baseados em especificações relacionadas às experiências anteriores. Avaliando o histórico sobre o desenvolvimento da técnica de aterros hidráulicos, sabe-se que a ruptura da Barragem de Fort Peck nos Estados Unidos pôs fim à tecnologia de aterros hidráulicos no mundo ocidental, fazendo com que o termo aterro hidráulico fosse sempre associado a fenômenos de liquefação. Contudo, o problema não era da técnica de aterros hidráulicos, mas basicamente relacionado à inobservância de normas de controle construtivo já impostas (Hazen, 1920) e que não eram seguidas, como foi o caso de Fort Peck. Preconceito ou precaução, mas a realidade dos aterros hidráulicos após a ruptura da Barragem de Fort Peck não foi muito boa, existindo poucas estruturas dessa natureza construídas a partir da década de quarenta. Algumas restrições impostas por Justin et al. (1945) com relação a acidentes e rupturas envolvendo Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 395 aterros hidráulicos mudaram o cenário dessa tecnologia; durante anos pouco se contribuiu no aprimoramento da técnica de aterros hidráulicos. Entretanto, os soviéticos se mostraram como grandes incentivadores da implementação e manutenção da técnica de aterros hidráulicos, a partir de 1936. Inicialmente, os soviéticos adotaram o modelo americano; mas, a partir de 1945, o processo foi gradualmente aprimorado com tecnologias e experiências próprias, sendo construídas mais de cem barragens hidromecanizadas. Na prática soviética, as recomendações propostas por Hazen (1920) foram seguidas e, mais tarde, passaram a ser baseadas na própria experiência, adquirida com o emprego e aprimoramento técnico. Com base nessas experiências, Melent’ev et al. (1973) propuseram as primeiras recomendações de controle construtivo associadas às estruturas de aterros hidráulicos. Essas normas, embora empíricas, já revelavam a importância da caracterização correta do material empregado e das características do método de lançamento. No Brasil, a hidromecanização representou um papel importante na construção de barragens entre 1906 e 1945. Entretanto, essas barragens apresentavam um baixo controle geotécnico, tendo em vista relatos de algumas rupturas relacionadas aos altos valores de índices de vazios e às baixas densidades. De uma forma geral, os aterros brasileiros apresentaram problemas na fase de projeto e durante a construção. A falta de controle do método de lançamento foi também o principal responsável pelas dúvidas, incertezas e abandono do método no Brasil, principalmente aplicado na construção de barragens para fins hidroelétricos. Contudo, na década de oitenta, houve uma tentativa de resgate dessa técnica pela viabilização de um projeto pioneiro envolvendo a construção da Barragem de Porto Primavera, no Rio Paraná. A tecnologia empregada seria de aterro hidráulico, usando a metodologia construtiva baseada nas recomendações da técnica soviética. Embora tenham sido comprovadas a viabilidade e a vantagem econômica do método, optou-se pela utilização da técnica de aterro compactado. Observa-se que, embora vista com restrições, a técnica de aterro hidráulico pode ser considerada viável, principalmente se forem analisadas as características básicas dos projetos, os materiais utilizados e, principalmente, a metodologia construtiva, isto é, o método de lançamento. Pode-se perceber ainda a grande aplicabilidade desse tipo de estrutura associada à disposição de rejeitos e às vantagens econômicas e técnicas que esse método apresenta. Assim, mesmo abandonada no contexto das barragens convencionais, a técnica de aterro hidráulico sobreviveu devido à sua aplicabilidade no processo de disposição de rejeitos. A imposição de técnicas de baixo custo, as características dos rejeitos, as condições de transporte, geralmente por via hidráulica, foram fundamentais para a manutenção da técnica na prática corrente da maioria das atividades de mineração. Mas mesmo sendo uma técnica atrativa para as mineradoras, as barragens de rejeitos construídas com a técnica de aterro hidráulico ainda não apresentavam um controle técnico rigoroso, possivelmente pelo descaso técnico que era associado a essas obras no passado. A proteção do meio ambiente é um problema atual e envolve questões relacionadas à engenharia geotécnica, principal- 396 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB mente no que diz respeito a garantir a estabilidade dos taludes para a contenção dos rejeitos e evitar a ocorrência de migração de contaminantes, minimizando os impactos de poluição das águas. Em vista do potencial de contaminação e dos problemas de segurança, os projetos para disposição segura de rejeitos já é uma realidade das mineradoras, que, em sua maioria, têm buscado o aperfeiçoamento de técnicas e métodos de controle que compatibilizem segurança e economia no lançamento dos seus resíduos. Assim, devido às imposições dos órgãos ambientais e aos riscos associados às obras construídas recentemente envolvendo grandes volumes de rejeitos, o panorama geral de controle e segurança desses empreendimentos tem mudado. Com relação a essa característica, o Comitê Internacional de Grandes Barragens (ICOLD, 1989) tem destacado os riscos associados às barragens construídas no passado, principalmente pelo método de montante em que o controle de qualidade bastante precário resultou em numerosos processos de ruptura. Esse mesmo tipo de experiência foi reportado por Valenzuela (1996) para as barragens de rejeito construídas no Chile e sujeitas a condições sísmicas muito severas. Entretanto, observa-se que existe uma tendência de avaliar o comportamento dos aterros hidráulicos, mas toda a possibilidade de aperfeiçoamento tecnológico esbarra nas dificuldades associadas ao controle de qualidade e à complexidade dos métodos de lançamento e formas de disposição. Sabe-se que existem muitas variáveis interferindo no processo de formação dessas estruturas, mas o controle de campo e as simulações em laboratório tendem a gerar dados capazes de melhorar a qualidade técnica dos aterros hidráulicos e poderão estabelecer metodologias construtivas viáveis e seguras para os aterros hidráulicos, principalmente quando aplicados às barragens de rejeitos. O controle geotécnico da construção de barragens via aterro hidráulico passa necessariamente pelo conhecimento dos parâmetros de resistência, deformabilidade e condições de permeabilidade dos rejeitos, que, por sua vez, são dependentes de suas características geotécnicas, como composição mineral, distribuição granulométrica, porosidade, etc. No caso específico do rejeito de mineração, as características desses materiais são condicionadas pelo processo de beneficiamento empregado, pelas características mineralógicas das jazidas exploradas e pelo processo de deposição desses rejeitos em campo. Assim, considerando os aspectos relacionados ao controle construtivo desses aterros, serão detalhados os resultados obtidos por diversas investigações de campo e laboratório realizadas em diferentes barragens e estruturas de contenção de rejeitos de minério de ferro construídas com a técnica do aterro hidráulico. A proposta fundamental é fornecer uma visão geral dos diferentes métodos de investigação realizados visando avaliar, compreender e, principalmente, aprimorar a qualidade construtiva e a segurança dos sistemas de disposição de rejeitos. É importante ressaltar que a maioria dessas investigações reflete a importante atuação do Grupo de Pesquisa de Geotecnia Aplicada a Mineração do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB, desde a sua criação no ano de 1993, no contexto da análise do comportamento dos rejeitos de minério de ferro. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 397 2 ATERROS HIDRÁULICOS As barragens construídas pela técnica de hidromecanização (aterros hidráulicos) são obras de terra cujo processo construtivo está associado à exploração, transporte e distribuição de material por via úmida. Segundo Moretti & Cruz (1996), há registros do emprego de hidromecanização desde os antigos egípcios. Em épocas mais recentes, podem-se citar barragens na Califórnia, no século XIX, associada à mineração. Essa técnica se estende a outros campos de aplicação. Inúmeras barragens foram construídas nos Estados Unidos, entre meados do século XIX e a década de trinta do século XX. Essas obras foram realizadas com os mais diversos materiais; o projeto e a construção foram desenvolvidos por princípios intuitivos e especificações relacionadas às experiências anteriores, ocorrendo inúmeros insucessos. No Brasil, a técnica de hidromecanização representou um recurso utilizado para a construção das barragens na primeira metade do século XX, seguindo basicamente o modelo norte-americano. Essas estruturas apresentavam altura máxima de 30 m e foram formadas, de modo geral, a partir de um núcleo de argila siltosa e espaldares de areia lançados hidraulicamente (Moretti & Cruz, 1996). O grande desenvolvimento da tecnologia de construção de aterros hidráulicos ocorreu a partir de 1936, nos países da ex-União Soviética, que se tornou o país mais experiente e evoluído nessa técnica de construção de barragens. A grande maioria das barragens foi construída com areia e apresentou bom desempenho, com algumas rupturas não significativas, ocorridas durante a fase de construção (Moretti & Cruz, 1996; Morgenstern & Küpper, 1988). A experiência soviética gerou suas próprias recomendações para a construção de barragens via hidromecanização. A recomendação mais importante está relacionada à distribuição granulométrica do material. Nesse contexto, a norma soviética SNIP-II53-73 divide os solos em cinco classes distintas, cada uma delas associada a um tipo específico de seção (Figura 1). Figura 1 – Grupos de materiais de empréstimo SNIP-II-53-73 (Moretti & Cruz, 1996). 398 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Essa norma recomenda que sejam preferencialmente utilizados os solos dos grupos I e II. Os solos do grupo I devem ser utilizados em aterros homogêneos, e os do grupo II em aterros heterogêneos. Os materiais do grupo V devem ser utilizados somente para a execução de espaldares, e os do grupo IV como material de núcleo. Com relação aos solos do grupo III, algumas restrições e alguns cuidados devem ser tomados, principalmente com relação à velocidade de lançamento (Moretti & Cruz, 1996; Ribeiro, 2000). No que se refere aos tipos de seções propostas pelas normas soviéticas, existem três tipos principais: as de seção homogênea construídas com materiais com coeficiente de não uniformidade (Cu) menor que 2, o modelo típico das estruturas de contenção de rejeitos; as de seção heterogênea com núcleo central e espaldares em areia, construídas com materiais com Cu maior que 3, e as de seção mista, com espaldares compactados e o centro preenchido com material lançado hidraulicamente com Cu entre 2 e 3 (Figura 2). Figura 2 – Seções típicas de barragens propostas pela norma soviética (modificado de Morgenstern & Küpper, 1988). Algumas estruturas de controle de percolação e nível da linha freática são instaladas no interior do maciço, como tapetes drenantes e filtros de pé. Outras Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 399 alternativas, relacionadas à espessura do núcleo, também são utilizadas no sentido de garantir a segurança e estabilidade. A adoção de taludes abatidos (1V:20H a 1V:50H) é uma característica das barragens soviéticas, onde a proteção do talude de montante torna-se desnecessária, principalmente por funcionar como praia para ondas do reservatório. Além disso, não é necessária a instalação de diques de contenção lateral, o que resulta num menor prazo construtivo e a possibilidade do processo de deposição ocorrer livremente para montante e/ou jusante. Esses aspectos, em muitos casos, tornam as barragens de perfil abatido uma alternativa economicamente vantajosa, apesar de envolver maior volume de material quando comparado com as barragens usuais em areias, que apresentam taludes relativamente mais íngremes. Considerando essa alternativa construtiva, verifica-se a grande aplicabilidade dos aterros hidráulicos na construção de barragens de rejeitos. Os avanços e conhecimentos dos soviéticos no processo de hidromecanização permitiram uma considerável melhoria na qualidade das estruturas de aterros hidráulicos, principalmente pela eliminação de núcleos de alta plasticidade e, como apresentado anteriormente, pela adoção de estruturas homogêneas e taludes abatidos. Esse processo facilitou a execução dos aterros principalmente devido à simplicidade técnica. Apesar disso, um controle rigoroso da granulometria do material utilizado e das técnicas de lançamento foi incorporado aos projetos. O potencial de ruptura de barragens devido à liquefação do material granular lançado hidraulicamente é, frequentemente, considerado o maior inconveniente para o uso dessa técnica construtiva. Isso é particularmente verdadeiro em áreas com atividades sísmicas. Por outro lado, existem também casos de rupturas de aterros hidráulicos reportados na literatura atribuídos ao potencial de liquefação mesmo em condições estáticas (Been et al., 1998). Nesse contexto, o processo de liquefação pode ocorrer devido aos alteamentos muito rápidos, vibração devido a desmonte por fogo próximo às estruturas, entre outros fatores. Apesar das restrições, a técnica de aterro hidráulico tem sido muito utilizada, principalmente na construção de barragens de rejeito, diques de contenção, recuperação de áreas submersas e ilhas artificiais. Nesse sentido, os projetos e métodos construtivos de estruturas em aterros em aterros hidráulicos têm apresentado uma grande evolução tecnológica. O grande volume de rejeitos gerado durante os processos de extração mineral tem impulsionado a busca de formas mais seguras e estáveis de construir os aterros. O monitoramento constante durante a fase de construção e a caracterização tecnológica dos rejeitos têm sido sistematicamente incorporados aos projetos relacionados a esse tipo de estrutura. Adicionalmente, impulsionados pelas exigências de projetos e controle geotécnico mais rigoroso, extensivos estudos têm sido realizados a respeito das propriedades mecânicas e hidráulicas dos rejeitos, visando melhorar a qualidade dos projetos e métodos construtivos associados aos aterros hidráulicos. Tais estudos têm sido responsáveis pelo avanço tecnológico dessa metodologia. 400 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 3 ATERROS HIDRÁULICOS APLICADOS A BARRAGENS DE REJEITOS No caso de disposição de rejeitos, existem poucas opções técnicas de construção comparadas com as diversas técnicas utilizadas na maioria das barragens de acumulação de água. Esse fato está relacionado à imposição de técnicas de baixo custo associadas ao grande volume de rejeito a ser estocado e à aplicabilidade no contexto das atividades da mina, fatores preponderantes para a utilização da técnica de aterro hidráulico. As atividades de tratamento e beneficiamento de minério produzem rejeitos úmidos cujo meio de transporte mais viável e econômico é a via hidráulica. Assim, o método de aterro hidráulico é naturalmente atrativo para construir estruturas de retenção de rejeitos e pode ser realizado pela própria mineradora; o alteamento ocorre de acordo com a necessidade de armazenamento do rejeito. Dentre os métodos de construção de barragens pela técnica de aterro hidráulico, o mais antigo, mais simples e econômico é o Método de Montante. Nesse método, o rejeito é lançado a montante da crista por canhões (spigots) e/ ou por hidrociclones em um único ponto de descarga ou em linha sobre a praia do aterro, que servirá de suporte para o próximo alteamento (Figura 3). Apesar de várias barragens de rejeitos terem sido construídas de uma maneira aceitável, as rupturas eram comuns, devido a diversos problemas de ordem construtiva e geotécnica. Esse fato revelou, inicialmente, que o método original de montante não resultava em estruturas seguramente adequadas. Assim, propostas de modificações da estrutura tradicional eram defendidas. Isso também resultou no aumento da utilização dos Métodos da Linha de Centro e de Jusante (Figura 3). Figura 3 – Métodos construtivos de barragens de rejeitos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 401 O Método de Jusante tem a vantagem de que a barragem não é alteada sobre o rejeito previamente depositado, existindo uma previsão de compactação e controle de percolação por meio da instalação de sistemas de drenagem durante a evolução do aterro. O Método de Linha de Centro é uma variação do Método de Jusante, porém o alteamento da crista segue verticalmente e não para jusante; a construção pode ocorrer rapidamente usando a fração grossa do underflow do ciclone. Um tapete drenante pode ser instalado no momento em que a barragem é construída, possibilitando o controle da linha de saturação. Analisando o documento elaborado pelo Comitê Internacional de Grandes Barragens (ICOLD, 1989), verifica-se que a maioria das barragens construídas no passado privilegiava a técnica de alteamento à montante. Durante muitas décadas, esse método foi usado empiricamente, com um baixo controle construtivo. Nesse caso, o método de montante envolvia a construção de pequenos diques iniciais e os rejeitos eram descarregados na direção de montante no topo dos diques. O dique era alteado com o rejeito obtido da parte seca e, em seguida, recoberto com a camada seguinte de deposição. Com esse procedimento, o material seguinte era sempre depositado sobre camadas fofas constituídas pelo próprio rejeito. Com tal configuração, a barragem estava sujeita a riscos de rupturas provocadas pela possibilidade de elevação da linha freática e processos de liquefação, devido à condição fofa e saturada do rejeito. Embora susceptíveis a riscos de ruptura, as barragens construídas por alteamentos sucessivos a montante ainda representam uma opção usual no processo disposição de rejeitos no Brasil. Esse fato é reforçado pela facilidade executiva e econômica diluída ao longo do período de construção. Entretanto, Carrier (1991) recomenda que as barragens alteadas a montante devam ser evitadas devido justamente ao prolongado tempo de construção, que dificulta o controle e o acompanhamento dos projetos. Outro ponto, também mencionado, refere-se à dificuldade de prever o comportamento não drenado das barragens na fase de projeto. Apesar dessas restrições, Carrier (1991) conclui que esses fatos não inviabilizam a técnica de montante, recomendando a utilização de um projeto condicionado à realização de análises de estabilidade drenadas e não drenadas e o estabelecimento de uma integração perfeita entre o projeto e a construção. Analisando o contexto mundial das barragens de rejeito, verifica-se uma grande contribuição da experiência chilena nesse tipo de projeto. Valenzuela (1996) relata que o Chile tem uma importância fundamental no processo de disposição de rejeitos, devido à grande quantidade de rejeitos produzidos. Nesse país, a utilização de barragens tem sido uma alternativa bastante viabilizada pela maioria das mineradoras. Até 1960, a maioria das barragens de rejeitos no Chile era construída utilizando a técnica de aterros hidráulicos com o próprio rejeito e alteadas a montante. Existem poucos casos de utilização do método de linha de centro nesse período. Considerando que o Chile apresenta grande atividade sísmica e que a maioria das rupturas das barragens de rejeitos estava associada aos processos de liquefação, verificou-se que a adoção do método de 402 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB montante deveria ser revista. As rupturas geraram amplas discussões a respeito das metodologias construtivas até então empregadas, e uma forte pressão pública resultou no estabelecimento de normas de projeto e controle construtivo das barragens de rejeitos. Pode-se considerar que, embora muitas rupturas tenham ocorrido, um grande número de barragens de rejeito construído pelo método de montante apresentou um desempenho satisfatório. As rupturas eram comuns devido à falta de controle dos parâmetros geotécnicos, até mesmo durante a fase de construção. Observa-se que, ainda hoje, existe uma grande dificuldade de se estabelecerem metodologias construtivas que contemplem todas as variáveis envolvidas no processo de construção desses tipos de estruturas. Nesse sentido, pode ser citada a experiência canadense mostrando a viabilidade do método de montante em regiões de baixa à moderada sismicidade, revelando bom desempenho dessas estruturas condicionado ao bom controle construtivo e de projeto (Martin & Tissington, 1996). Assim, a necessidade de analisar o desempenho das barragens de rejeitos com o objetivo de aumentar sua segurança advém do crescimento desse tipo de estrutura no processo de disposição de rejeitos utilizado pela maioria das minerações em todo mundo e da grande quantidade de rejeito a ser estocado. No contexto da segurança e qualidade técnica, tem-se notado o aumento das exigências de projeto, mudanças nos métodos construtivos, controle geotécnico mais rigoroso nos projetos e durante a fase de construção. Medidas de controle do nível freático, processos adicionais de densificação, implantação de sistemas eficientes de drenagem e utilização de camadas de transição têm sido incorporados aos processos construtivos atuais. O empirismo soviético ainda representa um elemento básico na viabilidade dessa tecnologia, mas a utilização dos aterros hidráulicos como estrutura viável e econômica de disposição de rejeitos tem contribuído para o avanço tecnológico do método de montante, sendo responsável pelo seu resgate técnico e sua reavaliação em termos de segurança e estabilidade. A Geotecnia tem contribuído muito para melhoria da qualidade dos projetos relacionados à disposição de rejeitos. Nota-se, hoje, que muitas barragens construídas pelo método de montante teriam se mantido estáveis se tivesse havido um controle geotécnico na fase de projeto e construção. O conhecimento dos efeitos das variáveis hidráulicas e sua importância no processo de formação do depósito poderiam otimizar o processo construtivo e garantir a qualidade dos aterros hidráulicos. As análises de laboratório, mesmo com limitações relativas ao efeito de escala, têm apresentado um potencial importante na avaliação da densidade, segregação, geometria e estrutura dos depósitos. Enfim, pode-se afirmar que o controle geotécnico associado a um processo controlado de deposição durante a fase de construção da barragem poderá reduzir a gama de fatores que prejudicam o desempenho e a segurança das estruturas. Assim, os métodos de controle de campo juntamente com as análises de laboratório podem contribuir de forma sistemática e efetiva para a qualidade técnica dos aterros hidráulicos. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 403 4 CARACTERIZAÇÃO GEOTÉCNICA DOS ATERROS HIDRÁULICOS CONSTRUÍDOS COM REJEITOS DE MINÉRIO DE FERRO A utilização de rejeitos granulares como principal material de construção de barragens para contenção de rejeitos, associada à técnica de aterro hidráulico, é uma prática que vem se tornando cada vez mais constante entre as empresas de mineração, não só no Brasil como também em outros países, como, por exemplo, Canadá, Estados Unidos, Austrália e África do Sul (Espósito, 2000). O uso do rejeito granular como principal material de construção requer a utilização de princípios geotécnicos nas fases de projeto e construção, o que reforça a importância de todo e qualquer estudo que implemente ou melhore os procedimentos sistemáticos de controle geotécnico dessas estruturas. Nessa concepção, muitos trabalhos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de avaliar o comportamento geotécnico das estruturas formadas a partir de rejeito de minério de ferro. Muitos desses trabalhos estão vinculados ao Grupo de Pesquisa de Geotecnia Aplicada a Mineração do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da UnB. O gerenciamento do material depositado hidraulicamente é uma importante componente na avaliação do comportamento dos aterros hidráulicos. Observase que, quando a lama é descartada, as partículas mais grossas e/ou mais pesadas tendem a se depositar, formando a praia, enquanto as partículas finas e água tendem a se concentrar na parte final do depósito, formando, muitas vezes, uma lagoa de decantação. Embora mediante o conhecimento desse mecanismo básico de transporte e deposição que gera o processo de segregação, as variações nos parâmetros de descarga podem causar outros tipos de alteração, de modo que a experiência e/ou os conceitos teóricos são insuficientes para avaliar o que realmente ocorre no processo de formação dos aterros hidráulicos. As mudanças nas características do material, na concentração e na vazão de descarga, entre outros efeitos, podem mudar profundamente o mecanismo de deposição e alterar significativamente as propriedades físicas e mecânicas dos aterros hidráulicos. Inicialmente, com relação à estabilidade dos sistemas de disposição de rejeitos, Assis & Espósito (1995), Espósito (1995), Espósito et al. (1997), Espósito & Assis (1998 e 1999) e Espósito (2000) mostraram, por meio de mapeamento de campo em barragens de rejeitos, a variabilidade da densidade in situ e densidade real dos grãos ao longo da praia de rejeitos. Esses autores apresentaram um método probabilístico acoplado ao método observacional aplicado ao controle de qualidade da construção de barragens de rejeitos construídas com a técnica de aterro hidráulico. A metodologia consistiu em melhorar os aspectos de segurança e desempenho geotécnico e minimizar os impactos ambientais, tendo em vista as variabilidades encontradas nos parâmetros de resistência (coesão efetiva e ângulo de atrito efetivo) e permeabilidade em função da porosidade. Para as campanhas de ensaio realizadas nas Minas de Alegria e Morro Agudo, foram obtidos valores de resistência em função da variabilidade da porosidade do material em campo. 404 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os resultados permitiram concluir que a metodologia probabilística e observacional aplicada a barragens de rejeitos em aterros hidráulicos se apresenta como uma ferramenta simples e eficaz e pode ser facilmente incorporada na rotina dos projetos e na evolução dos alteamentos realizado pelas mineradoras. A adoção desse procedimento permite avaliar o comportamento da estrutura durante a fase de construção, contribuindo de forma significativa na tomada de decisões que maximizem a segurança e a estabilidade. Os estudos gerados por Espósito (2000) contribuíram para o desenvolvimento de projetos e acompanhamento técnico de barragens de rejeito, fornecendo um procedimento estatisticamente correto para obtenção dos parâmetros necessários para análises de estabilidade. É importante ressaltar que essa metodologia tem sido adotada no controle e acompanhamento de várias estruturas de contenção de rejeitos no Brasil. Considerando que o mecanismo de deposição tende a alterar significativamente as propriedades físicas e mecânicas dos aterros hidráulicos e visando complementar as avaliações realizadas em campo, percebeu-se a necessidade de realizar estudos em laboratório para analisar o mecanismo de deposição. Morgenstern & Küpper (1988), Küpper (1991), Küpper et al. (1992), Ribeiro et al. (1998), Ribeiro & Assis (1999) e Ribeiro (2000) relatam a importância dos estudos dos processos de deposição em laboratório, por meio da utilização de ensaios de simulação de deposição hidráulica (flumes). No ensaio de simulação de deposição hidráulica (flume), os mecanismos de deposição podem ser observados de perto, e os ensaios podem ser desenvolvidos de forma mais econômica e controlada do que no campo. Além disso, é possível a realização de um grande número de ensaios simulando os efeitos das variáveis que controlam os processos de deposição hidráulica, principalmente vazão, concentração e possivelmente a altura de lançamento do rejeito. Nesse sentido, Ribeiro & Assis (1999) e Ribeiro (2000) propuseram a simulação do processo de deposição hidráulica de rejeitos em laboratório. Foi desenvolvido um Equipamento de Simulação de Deposição Hidráulica (ESDH) capaz de simular o efeito das variáveis de lançamento, vazão e concentração no processo de formação dos aterros hidráulicos. O ESDH foi desenvolvido no Programa de Pós-Graduação em Geotecnia da Universidade de Brasília (UnB), em convênio com a Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), por Ribeiro (2000). O objetivo principal desse equipamento é simular os mecanismos de deposição hidráulica em laboratório e avaliar o comportamento geotécnico dos depósitos com relação às variáveis que afetam o processo de deposição hidráulica. O ensaio permite obter amostras representativas do material depositado favorecendo a obtenção de parâmetros geotécnicos mais próximos dos que ocorrem no campo. A adoção desse modelo físico de simulação em laboratório tem se mostrado uma importante ferramenta na avaliação e no entendimento qualitativo do processo de formação e das propriedades dos aterros hidráulicos. Tem demonstrado boas correlações com os dados obtidos em campo. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 405 O ESDH consiste, basicamente, de três partes fundamentais que funcionam de forma integrada durante todo o período de realização dos ensaios, provendo a manutenção dos parâmetros de fluxo e as condições necessárias para um processo controlado de deposição hidráulica: o canal de deposição, parte principal do ESDH; o sistema de alimentação, onde é preparada a lama; e o sistema de descarga (Ribeiro, 2000). A Figura 4 apresenta um esquema do ESDH. Figura 4 – Equipamento de Simulação de Deposição Hidráulica – ESDH (Ribeiro, 2000). O canal de deposição, construído com paredes de vidro temperado de 10 mm de espessura, possui 6,0 m de comprimento, 0,40 m de largura e 1,00 m de altura, possibilitando visualizar o processo de deposição ao longo do canal. A base do canal é constituída por uma chapa metálica revestida com uma manta de geotêxtil não tecido de gramatura 600g/m2, objetivando manter a estabilidade do material da camada pré-depositada no fundo e uniformizar o processo de drenagem na base do depósito. O sistema de descarga é alimentado por dois reservatórios, um principal localizado na parte superior do canal, e outro secundário localizado ao lado do equipamento onde é feita a preparação da mistura. Os dois reservatórios são interligados por meio de um sistema composto por uma bomba de sucção especial para sólidos e válvulas para liberação do fluxo. A descarga da lama no canal é realizada por meio de um controlador de fluxo que direciona a lama paralela às paredes do canal, garantindo um fluxo uniforme e minimizando os possíveis efeitos provocados pelas paredes. O controlador está acoplado a um sistema de elevação que possibilita sua ascensão em função da velocidade de subida da crista do aterro. Para possibilitar os trabalhos no interior do canal de deposição (obtenção de amostras, realização de ensaios, 406 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB nivelamento da camada de fundo, etc.) sem tocar a praia e evitando perturbar o depósito, foi acoplada ao canal do ESDH uma plataforma móvel com uma palheta niveladora instalada na base. O arranjo geral do ESDH pode ser visto na Figura 5; detalhes do equipamento e metodologia de ensaio podem ser obtidos em Ribeiro (2000). Figura 5 – Vista geral do ESDH (Ribeiro, 2000). Com o objetivo de validar e aferir o ESDH, foram realizados diversos ensaios utilizando rejeito de minério de ferro (Ribeiro, 2000; Hernandez, 2007; Milonas, 2006) e, mais recentemente, foram realizadas simulações utilizando rejeito de mineração de ouro (Amorim, 2007; Hernandez, 2007). Em ambas as simulações, o programa experimental consistiu na deposição da lama preparada para diferentes valores de concentração em peso, variando entre 5 a 25%, e submetida a diferentes valores de vazão, entre 5 e 20 l/min, sobre uma camada plana de rejeito pré-depositada no fundo do canal. O fluxo foi direcionado para montante, possibilitando a formação da praia. Os rejeitos utilizados foram provenientes da Pilha do Monjolo, mina de Morro Agudo, complexo minerador de Água Limpa (VALE) e da Mina do Morro do Ouro, Paracatu (RPM). Além disso, os resultados obtidos bem como a possibilidade de obter amostras em condições semelhantes às obtidas em campo puderam fomentar diversas pesquisas a respeito do comportamento dos sistemas de disposição de rejeitos de minério de ferro. Com relação aos resultados obtidos no ESDH, Ribeiro (2000) apresenta uma descrição detalhada das características de fluxo sobre o depósito pela observação direta do canal de deposição, verificando uma profundidade de fluxo bastante pequena e concentração elevada, caracterizando o transporte que ocorre no processo de formação dos aterros hidráulicos. Estudos sobre o padrão de segregação ocorrido no depósito, a variação da densidade, a variação da massa específica dos grãos e a configuração do talude também foram realizados. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 407 No caso do processo de segregação, Ribeiro (2000) verificou a ocorrência de um padrão de segregação atípico influenciado majoritariamente pelo peso das partículas de minério de ferro. Nesse sentido, foram evidenciadas no canal de deposição: uma região próxima ao ponto de descarga com partículas mais finas, porém mais densas de minério de ferro; uma região intermediária, com partículas de quartzo mais grossas e com menor densidade que as partículas de minério de ferro; e uma região mais afastada, com partículas de sólidos mais leves e finas de quartzo (Figura 6). Devido à particularidade do processo de segregação em função do peso, foram feitas análises da massa específica dos grãos em relação ao ponto de descarga (Figura 7), verificando uma esperada concordância com as proposições a respeito da segregação granulométrica. Figura 6 – Variação do diâmetro D50 das partículas com a distância ao ponto de descarga para concentração aproximada de 14% (Ribeiro, 2000). Figura 7 – Variação da densidade relativa (Gs) para concentração aproximada de 14% (Ribeiro, 2000). 408 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Ribeiro (2000) mostrou também a influência da concentração e da vazão nas características geométricas do talude obtido, o qual é côncavo e de baixa inclinação. Não foi verificada a existência de uma inclinação acentuada próxima ao ponto de descarga, como previsto para sedimentos com mesma densidade dos grãos ou características granulométricas (Ribeiro, 2000, citando Melent’ev, 1973; Blight & Bentel, 1983; Blight et al., 1985 e Blight, 1994). Esse fato ocorreu devido ao processo de segregação das partículas de rejeito de minério de ferro, que não possibilitou a concentração de partículas mais grossas nessa região. No caso do rejeito analisado, a inclinação foi bastante uniforme ao longo do perfil, tornando-se mais abatida na porção final, região de maior concentração de partículas finas. De uma forma geral, o perfil tendeu a ser mais íngreme com o aumento da concentração e se tornou mais abatido com o aumento da vazão, conforme apresentado nas Figuras 8 e 9. Figura 8 – Variação da inclinação global do depósito com a concentração (Ribeiro, 2000). Figura 9 – Variação da inclinação global do depósito com a vazão (Ribeiro, 2000). Outro ponto importante analisado a respeito geometria do depósito foi a análise da evolução do aterro em função das variáveis de descarga. Nesse sentido, Hernandez (2007), realizando ensaios no ESDH, avaliou a velocidade de subida da crista do depósito, parâmetro fortemente influenciado pelas variações Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 409 nos valores da vazão e concentração da mistura. A Figura 10 apresenta a velocidade de ascensão da crista do depósito durante o processo de deposição no ESDH. Para uma vazão de 20 l/min, a velocidade de formação do depósito foi de 4,8 mm/min para C = 12,1% e de 14,7 mm/min para C = 24,9%. A aplicabilidade dessa análise consiste na possibilidade de prever a evolução do aterro hidráulico no campo em função das variáveis de descarga. Figura 10 – Variação da altura da crista para vazões de 20 l/min e concentrações de 12 a 24,9% (Hernandez, 2007). Com relação à densidade, Ribeiro (2000) apresenta que, de modo geral, o depósito tendeu a apresentar altos valores de massa específica seca perto do ponto de descarga, coincidindo com a região de maior concentração de partículas de ferro, decrescendo em direção à extremidade final do depósito e tendendo a estabilizar em valores próximos de 1,7 g/cm3 (Figura 11). Esse fato pode ser também observado em campo, considerando as avaliações de densidade realizadas por Espósito (1995) e Espósito (2000), para aterros construídos com o mesmo rejeito. Por meio dessas campanhas de campo, observou-se uma boa correspondência com os valores de densidade obtidos em campo e os resultados das simulações utilizando o ESDH. Figura 11 – Variação do ρd para vazões aproximadas de 9,0 l/min (Ribeiro, 2000). 410 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB No que diz respeito à permeabilidade ao longo do canal de deposição do ESDH, Hernandez (2007) e Cavalcante (2000) relatam que seu comportamento é função das variáveis que controlam o processo de segregação hidráulica e reflete o padrão granulométrico das partículas ao longo do canal. As partes iniciais e finais da praia, que têm uma maior presença de materiais finos, têm permeabilidades menores do que a zona central, rica em materiais de diâmetros de partículas maiores. Esse mesmo comportamento foi observado por Santos (2004) em estudos de permeabilidade realizados em campo e com amostras obtidas no ESDH para o mesmo rejeito estudado por Hernandez (2007) e Cavalcante (2000). Santos (2004) realizou ensaios de infiltração no campo e de permeabilidade em laboratório utilizando amostras homogêneas, reconstituídas a partir de material proveniente do ESDH. O autor observou as relações entre as variáveis de deposição e a condutividade hidráulica saturada com base nas características do depósito formado (granulometria, densidade e principalmente o teor de ferro). Considerando os ensaios de condutividade hidráulica, foi verificada a influência da porcentagem de ferro presente tanto nas amostras reconstituídas quanto nos ensaios de campo, onde o aumento do teor de ferro tende a gerar uma redução no valor da condutividade hidráulica saturada, conforme ilustrado na Figura 12. Figura 12 – Correlação entre o teor de ferro e a condutividade hidráulica em ensaios com a bomba de fluxo e ensaios de infiltração no campo (Santos, 2004). Nos estudos realizados, o efeito do teor de ferro foi significativo na avaliação da permeabilidade desse rejeito. As amostras com maiores teores de ferro, consequentemente mais próximas ao ponto de lançamento, apresentaram menores valores de condutividade hidráulica saturada. Nota-se, ainda, que esse tipo de comportamento se mostrou mais significativo para estados de compacidade menos elevados (Santos, 2004). Adicionalmente, os resultados obtidos puderam demonstrar que o efeito da segregação hidráulica por peso foi preponderante no rejeito analisado nes- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 411 se trabalho, gerando distorções em relação ao modelo segregação convencional estudado por Kealy & Busch (1971). Esse comportamento pouco convencional se mostrou importante na avaliação do comportamento da permeabilidade do depósito estudado. Assim, observa-se que as propriedades do material depositado são fundamentais nas características de drenabilidade dos sistemas de disposição de rejeitos e reforçam a necessidade de estudos específicos para cada tipo de rejeito de forma a garantir sua estabilidade. Assim, o fato mais importante da análise consistiu na consideração da influência de partículas com diferentes densidades no comportamento geotécnico destas estruturas, característica particular de grande parte dos rejeitos de mineração. Cavalcante (2000) e Cavalcante & Assis (2000), estudando os efeitos do gradiente de permeabilidade ao longo da praia de deposição, ou seja, do perfil de segregação hidráulica e do alteamento da barragem, implementaram um modelo numérico-analítico. O estudo mostrou a importância da poro-pressão logo após o período de deposição, o que pode ser crítico numa análise de estabilidade a curto prazo. Em longo prazo, devido à rápida dissipação da poro-pressão, esse fenômeno não é relevante; pelo contrário, existe um ganho de resistência com o alteamento da barragem, uma vez que esse processo diminui os índices de vazios e, por conseguinte, aumenta os parâmetros de resistência da barragem de rejeito. Sabe-se, contudo, que os parâmetros geotécnicos de uma barragem de rejeito não dependem unicamente da porosidade in situ. São condicionados também por suas características granulométricas e composição mineral. Nesse contexto, Lopes (2000) e Lopes & Assis (2000) estudaram a influência dessas características nos parâmetros de resistência dos rejeitos de minério de ferro, por meio da definição de uma relação entre porosidade e ângulo de atrito para várias faixas granulométricas e diferentes composições químicas. Por meio de ensaios realizados em amostras representativas de um dos diques da pilha do Xingu, esses autores confirmaram a hipótese de que o valor da densidade real dos grãos aumenta com o aumento da porcentagem de ferro. Foi evidenciada a forte tendência de os maiores teores de ferro se concentrarem mais próximos do ponto de lançamento, corroborando com os resultados obtidos nas simulações no ESDH realizadas por Ribeiro (2000) para o rejeito do complexo minerador de Água Limpa. Com relação aos parâmetros de resistência, foi verificada a dependência do ângulo de atrito com a granulometria, onde o ângulo de atrito aumenta juntamente com o crescimento do valor de D50 do material (Figura 13). Entretanto, sua relação com a resistência pode ser normalizada pelo Índice de Porosidade Relativa (Figura 14), o que facilita a aplicação da metodologia proposta por Espósito (2000). O Índice de Porosidade Relativa é definido como a relação entre a porosidade e os seus valores máximos e mínimos. É expresso pela equação a seguir: 412 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB (1) onde: IPR = Índice de Porosidade Relativa (adimensional); nmax = porosidade máxima em porcentagem; nmin = porosidade mínima em porcentagem; n = porosidade do ponto para o qual se deseja determinar o IPR em porcentagem. Figura 13 – Dependência do ângulo de atrito com a porosidade e a granulometria (Lopes, 2000). Figura 14 – Curva característica do Índice de Porosidade Relativa (IPR) com o ângulo de atrito para o rejeito da Pilha do Xingu (Lopes, 2000). Considerando a relação existente entre o percentual de ferro e o ângulo de atrito para o material em estudo, Lopes (2000) relatou que amostras com maiores teores de ferro apresentam maiores ângulos de atrito. Hernandez (2000) e Hernandez & Assis (2002a e 2002b), complementando esses estudos, avaliaram Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 413 a influência do teor de ferro no comportamento mecânico do rejeito. Esses autores utilizaram amostras provenientes de um processo de separação magnética a partir do rejeito total, obtendo materiais com diferentes teores de ferro e distribuições granulométricas semelhantes, minimizando os efeitos deste último parâmetro. Os autores observaram acréscimos no ângulo de atrito de pico (φ'pico) em função de acréscimos nos teores de ferro. A Figura 15 representa a variação do ângulo de atrito, em função da porosidade para os diferentes materiais com teores de ferro distintos. Figura 15 – Relação entre o φ 'pico, a porosidade e a %Fe (Hernandez, 2002). Presotti (2002) também avaliou a influência da variação do teor de ferro nos parâmetros de resistência, utilizando, porém, as amostras reconstituídas provenientes do processo de deposição hidráulica em laboratório e o ESDH desenvolvido por Ribeiro (2000). As amostras, coletadas em diferentes pontos com relação ao ponto de descarga, apresentavam diferentes teores de ferro, diferenciando-se das amostras de Hernandez (2002) por apresentarem também diferentes características granulométricas. Presotti (2002) também verificou que o aumento do teor de ferro tende a aumentar o valor do ângulo de atrito efetivo. É apresentado, na Figura 16, o efeito do teor de ferro nos parâmetros de resistência para amostras com mesma porosidade inicial. Outro ponto importante a ser avaliado com relação à estabilidade das barragens de rejeitos refere-se ao fenômeno da liquefação. Sabe-se que as condições fofas e saturadas dos depósitos de rejeitos tendem a tornar essas estruturas susceptíveis aos processos de liquefação estática ou dinâmica. Nesse sentido, torna-se imperiosa a necessidade de avaliar esse fenômeno associado aos diversos tipos de rejeitos. Apesar de serem realizados alguns estudos sobre o potencial de liquefação em rejeitos granulares sob condições estáticas, acredita-se que a prática dos projetos geotécnicos aplicados às barragens de rejeitos granulares de mineração, por exemplo, tem negligenciado a liquefação estática como possível mecanismo ou critério de ruptura. A frequente busca de outros mecanismos 414 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB como causas de rupturas é, em muitos casos, reflexo direto de um dogmatismo relacionado à impossibilidade de ocorrência do fenômeno sob condições estáticas de carregamento (Pereira, 2005). Nesse contexto, Pereira (2005) buscou estabelecer uma sistemática geral de análise, com a implementação de diversas metodologias para a avaliação do fenômeno da liquefação em rejeitos de minério de ferro. As metodologias foram baseadas no comportamento dos rejeitos por meio de ensaios triaxiais tipo CIU (adensado isotropicamente e não drenado), associado às suas características intrínsecas. Foram utilizados materiais oriundos de seis diferentes sistemas de contenção de rejeitos de minério de ferro da região do Quadrilátero Ferrífero de Minas Gerais. Os procedimentos experimentais envolveram várias amostras ensaiadas sob diferentes tensões confinantes, com densidades relativas (Dr) próximas da condição de densidade mínima (emax) para os diferentes rejeitos de minério de ferro em estudo. Na avaliação do potencial de liquefação, foi observada uma diversidade de comportamentos entre esses rejeitos, evidenciando, para alguns, a susceptibilidade à liquefação e caracterizando, assim, a grande variabilidade de comportamento dos rejeitos de minério de ferro e a importância desse tipo de análise de forma sistemática em todos os projetos. Figura 16 – Tendência de correlação entre o ângulo de atrito, teor de ferro e porosidade (Presotti, 2002). Visando avaliar conjuntamente todas essas características dos depósitos de rejeitos, Cavalcante (2004) desenvolveu uma modelagem matemática capaz de englobar todas as variáveis envolvidas durante a fase de deposição da barragem de rejeito de minério de ferro. A proposta dessa investigação foi caracterizar o processo de deposição hidráulica e prever suas consequências no comportamento geomecânico das barragens de rejeito. O modelo proposto considera as partículas de ferro e quartzo presentes no rejeito e é capaz de prever a segregação granulométrica, as variações de densidade relativa e do teor de ferro ao longo do caminho de deposição e as variações dos ângulos de atrito e condutividade hidráulica em Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 415 função dessas variáveis. Outro aspecto importante foi a possibilidade de prever a possível geometria de deposição para toda praia de rejeito. Os resultados obtidos indicaram que o modelo matemático proposto Cavalcante (2004) poderia ser uma ferramenta importante no sentido de prever o comportamento da barragem, fornecer os parâmetros geotécnicos durante toda a sua vida útil e possibilitar a otimização do processo construtivo, garantindo, assim, a sua segurança. Esse modelo foi posteriormente utilizado por Russo (2007) para a caracterização do processo construtivo de barragens de rejeito construídas por aterro hidráulico, englobando a maioria dos resultados das pesquisas já realizadas. Buscou-se, assim, promover uma compilação de todas as investigações já realizadas. Cabe ainda ressaltar que todos os trabalhos mencionados anteriormente utilizaram amostras de rejeito de minério de ferro reconstituídas em laboratório. Ressalta-se que esse tipo de procedimento é usualmente aplicado aos rejeitos de minério de ferro devido à dificuldade de obter amostras indeformadas de solos tipicamente granulares, como é o caso desses materiais. Observa-se que, para solos homogêneos, como as areias, tais aproximações são bastante pertinentes; mas no caso dos rejeitos de minério de ferro, em que há predominância de dois tipos distintos de materiais, o ferro e quartzo, os processos de reconstituição muitas vezes não conseguem simular essas heterogeneidades. A estratificação que normalmente ocorre nos depósitos no campo ou mesmo a segregação granulométrica não são reproduzidas, mesmo considerando as diferentes técnicas de reconstituição de areias. As técnicas para preparação de amostras em areias secas e saturadas têm sido descritas em diversas pesquisas (Oliveira Filho, 1987; Vaid & Negussey, 1988; Ratton, 1993; Los Prestti et al., 1993) e têm sido aplicadas de forma sistemática na reconstituição de amostras de rejeito de minério de ferro. Algumas modificações nos procedimentos comumente adotados têm sido propostas na literatura. A maioria das alterações é sugerida nas pesquisas com rejeitos de minério de ferro, como é o caso das considerações feitas por Espósito (2000), Lopes (2000), Hernandez (2002), Presotti (2002), Pereira (2004) e Russo (2007). As principais técnicas de reconstituição de amostras de material granular reportadas na literatura são pluviação no ar, pluviação na água ou sedimentação, apiloamento ou compactação com uso de soquete, compactação com auxilio de uma haste e compactação com uso de um vibrador (Oliveira Filho, 1987; Vaid & Negussey, 1988; Ratton, 1993; Los Prestti et al., 1993). No caso dos rejeitos de minério de ferro, a técnica mais utilizada tem sido a de compactação com uso do soquete ou vibração, devido à possibilidade de minimizar o efeito de segregação que normalmente ocorre nas técnicas de pluviação a seco ou em água. Na compactação com o uso do soquete ou apiloamento, os corpos-de-prova são obtidos compactando camadas sucessivas do material seco, úmido ou saturado. A força, frequência e espessura das camadas são determinadas em função da densidade desejada. O mesmo ocorre na compactação com auxílio de haste, quando o soquete é substituído pelo uso de uma haste para executar a compactação. No método de apiloamento com o material úmido, obtém-se a 416 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB melhor reconstituição de arranjo dos grãos e podem-se obter corpos-de-prova parcialmente saturados de compacidade muito fofa a densa, que tendem, porém, a apresentar não uniformidade em relação à densidade (Ratton, 1993). A compactação por meio de golpes na parede lateral do molde pode ser realizada em material seco ou saturado, devendo a direção dos golpes variar para evitar uma orientação preferencial das partículas. Na compactação com uso do vibrador, o recipiente contendo o material granular recebe movimentos de vibração que podem ser verticais ou horizontais. A densidade dos corpos-deprova, obtida por essa técnica, é em função do tempo, do tipo e da frequência de vibração empregada. Como dito anteriormente, os rejeitos são complexos sob o ponto de vista de amostragem e inspeção. Diante da dificuldade de obtenção de amostras indeformadas em solos granulares, o fenômeno de congelamento dos solos tem sido estudado por diversos pesquisadores, como uma alternativa de favorecer a obtenção deste tipo de amostra de forma representativa. Contudo, o grande desafio é entender o comportamento da água presente na amostra durante o processo de congelamento, pois se sabe que a água, quando congelada, sofre expansão volumétrica, podendo alterar significativamente a estrutura interna do solo. De acordo com Kinosita (1979), a movimentação da água na parte não congelada do solo, durante o processo de congelamento, se dá no sentido da frente de congelamento, onde é retida na forma de lentes de gelo. Esse processo é explicado pelo estreitamento dos vazios, devido à formação de lentes de gelo, que induzem no solo o acréscimo de sucção, alimentando com mais água a formação de novas lentes e o consequente aumento da expansibilidade da massa de solo (Hernandez, 2007). Visando explorar a técnica de amostragem por congelamento para obtenção de amostras representativas na avaliação dos parâmetros de resistência dos depósitos hidráulicos, Hernandez (2007) realizou ensaios para avaliar o processo de congelamento em amostras de rejeito de minério de ferro, moldadas em laboratório com valores de saturação variando de 5 a 100%. As observações feitas durante o processo de extração das amostras e os resultados obtidos da medição dos corpos-de-prova permitiram a confirmação do fenômeno de expansão dos solos congelados. As mudanças na estrutura do solo foram mais evidentes para as amostras com grau de saturação maiores, em que se verificou a concentração da maior parte da deformação no centro da amostra, devido basicamente à falta de confinamento nessa região (Figura 17). Figura 17 – Amostra de rejeito congelado com índice de vazios inicial de 0,82 e grau de saturação de 100% (Hernandez, 2007). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 417 A Figura 18 apresenta os resultados das mudanças no índice de vazios nos testes de congelamento. Observam-se variações do índice de vazios da ordem de 5,0%, quando o percentual de saturação é superior a 70%. Nesse sentido, foi possível observar a aplicabilidade do método de congelamento, porém restrito às condições de compacidade e umidade do depósito. Figura 18 – Mudança dos dados no índice de vazios, em função do grau de saturação, após o processo de congelamento (Hernandez, 2007). Considerando ainda as dificuldades relativas à obtenção de amostras representativas do processo de formação dos depósitos de rejeitos, Milonas (2006) apresenta uma metodologia para obtenção de amostras indeformadas utilizando as simulações realizadas no ESDH. Essa proposta teve como objetivo obter características semelhantes aos dos depósitos formados em campo e conseguir, dessa forma, manter as características originais de formação do depósito, mecanismo normalmente negligenciado nos processos de reconstituição. Nesse sentido, para viabilização desta proposta, Milonas (2006) realizou ensaios de Simulação de Deposição Hidráulica, utilizando os procedimentos adotados por Ribeiro (2000) e obteve amostras ao longo do canal do ESDH em quatro pontos pré-fixados, espaçados de aproximadamente 1,0 m, a partir do ponto inicial de descarga. Para cada ponto foram coletadas três amostras indeformadas para realização de ensaios triaxiais, e respectivas amostras deformadas para realização dos ensaios de caracterização geotécnica e reconstituição. A Figura 19 ilustra os pontos de coleta das amostras no canal de deposição do ESDH. É importante ressaltar que esses pontos foram selecionados visando mapear e analisar as possíveis variações estruturais do depósito em função do processo de segregação. Para a retirada das amostras indeformadas, foi utilizado um cilindro bipartido de paredes finas com a extremidade bisselada. Esse cilindro, projetado especialmente para essa finalidade, possui diâmetro interno aproximado de 47 mm, altura e espessura de 100 e 1,2 mm, respectivamente (Milonas, 2006). A metodologia para obtenção das amostras indeformadas foi realizada seguin- 418 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB do os procedimentos comumente utilizados no método de cravação do cilindro com desbaste lateral. Figura 19 – Pontos de obtenção das amostras no canal do ESDH em planta (Milonas, 2006). Pela Figura 20.a e 20.b, podem-se observar as características estruturais típicas do processo de deposição, tais como estratificações, acamamentos, etc., que puderam ser reproduzidos pelas amostras indeformadas obtidas via ESDH. Com o objetivo de realizar uma comparação entre os dois processos de obtenção de amostras, Milonas (2006) realizou o processo de reconstituição desse mesmo rejeito utilizando a metodologia convencional baseada no método de compactação por camadas. Nesse caso, o processo de reconstituição ocorreu de forma homogênea, pela simples colocação do material em camadas seguida de um processo de compactação dinâmica até atingir a densidade compatível com a das amostras indeformadas, seguindo os mesmos procedimentos adotados por Presotti (2002) e Santos (2004). Além da densidade, foram reproduzidas as mesmas condições de umidade, teor de ferro e granulometria dos materiais. Essas condições foram conseguidas com a utilização de amostras deformadas coletadas nas mesmas regiões onde foram coletadas as amostras indeformadas no canal do ESDH. Nesse caso, pode-se observar que, no processo de reconstituição, as características estruturais típicas do processo de deposição não foram reproduzidas, sendo o perfil apresentado pelas amostras totalmente homogêneo (Figura 20.c). Com relação aos ensaios triaxiais realizados, as curvas tensão vs deformação revelaram uma tendência de comportamento distinto para ambas as amos- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 419 tras, evidenciando a influência do processo de deposição no comportamento desse rejeito, embora as amostras indeformadas e reconstituídas apresentassem características bastante semelhantes de densidade, umidade, granulometria, teor de ferro e índice de vazios. Observa-se, ainda, que as amostras indeformadas apresentaram melhores resultados quando comparadas às amostras reconstituídas. Essa condição evidencia a influência do processo de deposição hidráulica no comportamento geomecânico desse rejeito de minério de ferro. A Figura 21 ilustra a variação do ângulo de atrito (φ’) com a variação da porosidade média, em que pode ser observada uma relação decrescente para o valor de φ’ com acréscimos no valor da nmédia, para ambas as amostras. Além disso, as amostras indeformadas apresentaram um valor de ângulo de atrito efetivo (φ’) 3 a 4º superior ao obtido para as amostras reconstituídas. Esse fato pode estar associado ao maior embricamento dos grãos causado pelo processo de deposição simulado no ESDH. (a) (b) (c) Figura 20 – Amostra indeformada obtida via ESDH: (a) 2,8 m do ponto de descarga; (b) 0,1m do ponto de descarga e (c) amostra reconstituída (Milonas, 2006). Figura 21 – Relação entre ângulo de atrito e porosidade (Milonas, 2006). 420 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Aliado às modificações propostas nas metodologias convencionais de ensaios e interpretação de resultados compatíveis com a realidade particular dos rejeitos de minério de ferro, tem se tornando também imperiosa a busca de tecnologias alternativas de disposição que ofereçam maior segurança, economia e reaproveitamento de áreas já degradadas. Nesse contexto, baseado nas experiências anteriores a respeito do comportamento dos rejeitos e estéreis, Alves (2009) realizou um estudo sobre a disposição compartilhada desses dois materiais em cavas exauridas de minas. A proposta dessa metodologia é associar as propriedades de resistência dos estéreis com as propriedades hidráulicas dos rejeitos de minério de ferro. Alves (2009) analisou a estabilidade dos taludes com sua probabilidade de falha e o grau de deformabilidade relacionados a um sistema de disposição compartilhada de estéreis e rejeitos depositados num mesmo local. Os resultados indicaram, para o rejeito analisado, a viabilidade da disposição compartilhada, considerando os fatores de segurança obtidos, tanto para o fechamento e/ou desativação quanto para a operação. 5 CONSIDERAÇÕES FINAIS O presente capítulo evidenciou, de forma sucinta, os diversos estudos realizados no contexto da caracterização tecnológica de rejeitos de minério de ferro. Essas investigações tiveram como proposta identificar e avaliar os problemas associados ao comportamento dos rejeitos de mineração, principalmente considerando a grande heterogeneidade desse material. Inicialmente, foram realizados estudos baseados em análises comuns relacionadas aos solos convencionais. Contudo, com a evolução das pesquisas, foi-se percebendo que o comportamento dos rejeitos, devido às suas características distintas, era muito mais complexo. Ao longo das investigações, foram propostas novas metodologias de ensaio e interpretação de resultados de forma a privilegiar o complexo comportamento dos rejeitos. Essas preocupações têm-se tornado mais frequentes em vista não só do tamanho que os sistemas de disposição têm assumido, como também das restrições ambientais, pelas quais a disposição desses materiais tem demandado, de maneira crescente, a aplicação de princípios geotécnicos. Assim, o desenvolvimento dessas pesquisas tem demonstrado a importância da Geotecnia no contexto da segurança e qualidade dos sistemas de disposição de rejeitos. Algumas mudanças na forma de analisar os rejeitos e mesmo alterações significativas nos procedimentos de execução das estruturas de contenção de rejeitos foram produzidas com base no aprimoramento técnico advindo da maioria dessas investigações. Com relação às pesquisas desenvolvidas, pode-se dizer que houve uma evolução na forma de tratar os rejeitos de mineração. As investigações puderam gerar, ao longo desses anos, metodologias de controle de campo, ensaios Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 421 de simulação do processo de deposição, modelos matemáticos para previsão e controle de metodologias construtivas. Todo esse arcabouço de informação foi gerado em função das necessidades de se compreender e interpretar o atípico comportamento dos rejeitos. Pode-se afirmar que o controle geotécnico associado a um processo controlado de deposição durante a fase de construção da barragem poderá reduzir a gama de fatores que prejudicam o desempenho e a segurança dessas estruturas. Assim, os métodos observacionais e probabilísticos de controle de campo juntamente com as análises de laboratório podem contribuir, de forma sistemática e efetiva, para a qualidade técnica dos aterros hidráulicos. Os ensaios de simulação de deposição hidráulica se mostraram como uma importante alternativa para avaliar qualitativamente o comportamento desses materiais, fornecendo dados e subsidiando novas investigações. A metodologia inovadora empregada na obtenção das amostras indeformadas associada aos ensaios de simulação de deposição hidráulica mostrou ser um importante avanço na avaliação do comportamento geotécnico das barragens de rejeito. Esta proposta se mostrou viável em vista da importante capacidade que os ensaios realizados no ESDH têm de reproduzir as condições de campo. As rotinas de investigação apresentadas, baseadas em ensaios de avaliação da resistência e permeabilidade e complementadas pelas análises de suscetibilidade à liquefação, tendem a representar um importante passo na caracterização tecnológica dos rejeitos. No caso específico do rejeito de mineração, as características desses materiais são condicionadas pelo processo de beneficiamento empregado, pelas características mineralógicas das jazidas e pela forma de deposição que influenciam sobremaneira no seu comportamento geotécnico. Assim, as diversas formas de caracterizar esses materiais se tornam fundamentais no sentido de avaliar os efeitos de todas essas variáveis. Tais informações têm sido importantes tanto para aprimorar as metodologias construtivas dos sistemas de disposição convencionais, como para subsidiar os novos projetos envolvendo tecnologias alternativas de armazenamento de resíduos (estéreis e rejeitos). Ressalta-se, ainda, que essas metodologias e tecnologias já pesquisadas e testadas, quando aliadas a programas de gerenciamento de riscos, tendem a permitir uma avaliação segura e econômica das barragens de rejeito, construídas por aterro hidráulico, tanto pelo método de montante quanto por outros métodos. Finalmente, pode-se considerar que muito se evoluiu a respeito da forma de construir uma barragem de rejeito com a técnica do aterro hidráulico. Todavia, muitos estudos ainda devem ser realizados de forma a mapear a grande heterogeneidade dos rejeitos de mineração. Sabe-se que conseguir um procedimento de projeto, operação e manutenção de barragens totalmente isento de riscos, com relação à segurança, é impossível devido às incertezas associadas com as condições de fundações, propriedade dos materiais e condições externas de carregamento. Entretanto, pode-se minimizar os efeitos danosos do empirismo, que durante anos foi associado à construção dessas estruturas em aterro hidráulico. 422 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 6 AGRADECIMENTOS Os autores gostariam de agradecer às empresas de mineração do Quadrilátero Ferrífero, em Minais Gerais, o apoio constante a todas as pesquisas aqui mencionadas; à Universidade de Brasília e à Universidade Federal de Ouro Preto a infraestrutura e o pessoal técnico; à CAPES e ao CNPq o auxílio financeiro e a todos os alunos, professores, técnicos e pesquisadores que estiveram envolvidos direta ou indiretamente nestas investigações. 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Nessa ocasião, a Associação Internacional de Geologia de Engenharia (IAEG) organizou uma comissão técnica para buscar uma padronização dos principais conceitos para a elaboração da cartografia geotécnica. Assim, em 1976, foi publicado pela Unesco o texto “Cartografia Geotécnica: Um guia para a sua preparação” que se tornou uma referência indispensável para elaboração das cartas geotécnicas. Outras publicações, no Boletim da IAEG, se seguiram para o seu detalhamento. Em 1991, o Professor W.R. Dearman, da Universidade de Newcastle Upon Tyne, no Reino Unido, que havia sido o presidente da referida comissão, publicou o livro “Engineering Geological Mapping”, que consolidou o “fazer tradicional” da cartografia geotécnica. No inicio dos anos cinquenta, o governo brasileiro contratou a firma americana Donald J. Belcher and Associates para proceder ao levantamento e à seleção do local onde seria implantada a nova Capital do Brasil. Com uso de técnicas de fotointerpretação, seguidas de levantamento de campo, foram feitos mapas temáticos de solos para agricultura, solos para engenharia, drenagem, geologia e utilização da terra. O objetivo era, com base nessas características, escolher cinco retângulos dentro da área estudada, realizar estudos mais minuciosos nesses retângulos e, finalmente, escolher a área que apresentou as melhores condições quanto aos aspectos de: configuração do terreno, tipo de solo, tipo e profundidade da rocha firme, potencial hidráulico, altitude, potencial de abastecimento de água, microclima, possibilidade de conexão com rodovias-tronco e ferrovias, aspectos do terreno e acidentes naturais especiais que pudessem ser aproveitados 428 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB para fins recreativos (CODEPLAN, 1995). As características do Relatório Belcher se configuram como um trabalho típico de cartografia geotécnica, o que poderia identificá-lo como o primeiro trabalho de cartografia geotécnica para um local no Brasil. No entanto, os trabalhos e as pesquisas para o “fazer” da cartografia geotécnica no Brasil só se iniciaram nos anos sessenta, voltados principalmente para problemas de estabilidade de encostas no Rio de Janeiro e em morros de Santos e São Vicente. Nos anos que se seguiram, com a construção de grandes obras e exploração de recursos naturais decorrentes do rápido desenvolvimento experimentado pelo Brasil nas últimas décadas do século, várias instituições se dedicaram ao desenvolvimento da cartografia geotécnica no País, das quais podemos destacar a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), o Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT), a Escola de Engenharia de São Carlos da Universidade de São Paulo (USP-SC), Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS), Universidade de Brasília (UnB), Universidade Federal de Ouro Preto (UFOP), Instituto de Geológico do Estado de São Paulo (IG/SP), Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Universidade Federal de Pernambuco (UFPe) e Serviço Geológico Brasileiro (CPRM). A cartografia geotécnica visa harmonizar a relação do Homem com o meio ambiente. Para isso, organiza as informações do meio físico como o solo, o substrato rochoso, as condições hidrogeológicas, o relevo e os processos geodinâmicos, para avaliar e prever como podem ser as interações dos processos tecnológicos sobre os processos naturais existentes em um determinado local. Os produtos da cartografia geotécnica, além de retratar as condições geotécnicas, analisam essas informações em termos de zoneamentos diagnósticos para a adequabilidade a diversos tipos de obras, à susceptibilidade de ocorrência de eventos perigosos, às vulnerabilidades, ao potencial de exploração de recursos naturais e à hierarquização para o planejamento, bem como em termos de prognósticos de riscos e impactos e orientações para intervenção. Com o avanço tecnológico do geoprocessamento, a cartografia geotécnica teve de absorver essa tecnologia que ampliou de forma extraordinária as possibilidades de tratamento da informação, em especial a análise espacial, que veio a permitir operações cartográficas até então inimagináveis. Na última década do século passado, a incorporação dessas novas tecnologias se colocou como um desafio a ser resolvido, de forma a oferecer às novas gerações de engenheiros e geocientistas conhecimentos que sejam capazes de armazenar, integrar, analisar e fornecer produtos que permitam a tomada de decisões com bases sólidas e que garantam um desenvolvimento sustentável. 2 O início das atividades Os trabalhos de cartografia geotécnica, na Universidade de Brasília (UnB), tiveram início em 1991, com estudos voltados à inserção das técnicas de geo- Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 429 processamento nos procedimentos da cartografia geotécnica convencional. As áreas de estudo escolhidas para o desenvolvimento prático das pesquisas foram aquelas voltadas ao entendimento das condições geotécnicas do Distrito Federal e de alguns municípios que apresentaram condições para a sua realização. Em 1992, formou-se o grupo de pesquisa em “Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento”, e foi registrado no CNPq em 1998 quando esse órgão iniciou o trabalho de cadastramentos dos grupos de pesquisas no Brasil. O Grupo se mantém ativo e certificado até o presente momento. Para o estudo do Distrito Federal, num primeiro momento, foram desenvolvidas duas vertentes de trabalho. Na primeira, foram selecionadas algumas áreas chaves para trabalhos de mapeamento em escala média (1:50.000 / 1:25.000). A segunda vertente objetivava um melhor conhecimento dos materiais naturais de construção. Dentro dessa concepção, foram realizadas quatro dissertações de mestrado: “Mapeamento geotécnico da margem direita do rio São Bartolomeu, Distrito Federal” (Duarte, 1992); “Mapeamento geotécnico da região de Águas Claras (DF): Utilização de recursos de geoprocessamento e de novos métodos de ensaio para caracterização de solos tropicais” (Romão, 1995); “Mapeamento geotécnico da Asa Sul - Brasília / DF (Oliveira, 1996); Mapeamento geotécnico do ribeirão das Pedras – Porção sul da área de proteção ambiental da bacia do rio Descoberto – DF” (Rego, 1997). Uma vez disponíveis os estudos em áreas chaves, passamos a dirigir esforços no sentido de se ter uma visão integrada de todo o Distrito Federal. Com recursos do PADCT-MCT, iniciou em 1994 o projeto “Estudos para o zoneamento geotécnico do Distrito Federal com uso de geoprocessamento”. Foram realizados diversos trabalhos, entre os quais podemos destacar a tese de Aguiar (1997), intitulada “Zoneamento Geotécnico Geral do Distrito Federal: Procedimentos metodológicos e sua inserção na gestão ambiental“, que teve como objetivo sintetizar vários desses trabalhos, fornecendo uma visão sinótica das condições geotécnicas do Distrito Federal. Como produto desse projeto, um banco de dados georreferenciado com as informações obtidas foi estruturado e passou a ser utilizado nos trabalhos que se seguiram. 3 Cartografia Geotécnica do Distrito Federal Após o Zoneamento Geotécnico Geral do Distrito Federal, apresentou-se a necessidade de realizar mapeamentos com finalidades específicas, notadamente para: exploração de recursos naturais, em especial os materiais naturais de construção; escolha de locais para obras específicas, como aterro sanitário, expansão urbana; estudos de ocorrência de eventos perigosos, como a erosão e o vazamento de combustíveis. Além dos mapeamentos na escala 1:100.000 de abrangência regional, foram desenvolvidos estudos para escalas urbanas e de obra, que serão apresentados no item sobre a cartografia urbana de Brasília. 430 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB No sentido de se conhecerem melhor os materiais naturais de construção, que ocorrem no Distrito Federal, procurou-se dividir esses materiais em dois grandes grupos: aqueles provenientes de rocha consistente e que necessitam de equipamento pesado para a sua extração e processamento, e aqueles provenientes de solo/rocha friável e que apenas necessitam de equipamentos leves para sua extração e processamento. Para os estudos do primeiro grupo de materiais naturais de construção, foi desenvolvida a dissertação de mestrado “Caracterização Tecnológica dos calcários usados na pavimentação no Distrito Federal” (Junqueira, 1994), visando conhecer as características geotécnicas dos calcários, por serem estes a fonte de agregado graúdo (brita) mais frequentemente utilizado no Distrito Federal e apresentarem problemas de aderência e desgaste quando usados na pavimentação. No contexto de estudo do segundo grupo de materiais naturais de construção, foi implantada, no Laboratório de Geotecnia da UnB, a metodologia MCT de caracterização de solos tropicais desenvolvida na Universidade de São Paulo por Job Shuji Nogami e Douglas Fadul Villibor. Na implantação dessa metodologia, foram treinados alunos de mestrado, técnicos de laboratório e alunos de iniciação científica. Essa metodologia, hoje, faz parte dos programas dos cursos de Graduação em Engenharia Civil e Pós-graduação em Geotecnia. O Trabalho de Romão (1995), intitulado “Mapeamento Geotécnico da Região de Águas Claras – DF: Utilização de Geoprocessamento e de Novos Métodos de Ensaios Para Caracterização de Solos Tropicais” deu especial destaque à utilização dessa metodologia em trabalhos de cartografia geotécnica. Esse trabalho também serviu para estudar e introduzir novas formas de transferências de dados obtidos em processo de fotointerpretação, com produtos analógicos, fotografias aéreas, para ambiente de geoprocessamento. Ainda visando conhecer os materiais inconsolidados (solos) como material de construção, foram realizados três trabalhos de mestrado. Paranhos (1998), na dissertação intitulada “Caracterização geotécnica dos principais grupos de solos do Mapa Pedológico do Distrito Federal (escala 1:100.000): estudo na área de dinamização urbana entre Samambaia e Gama”, visou estabelecer formas de buscar informações geotécnicas em mapas pedológicos. Santos Filho (2000), em “Uso de geoprocessamento na distribuição espacial das características e classes geotécnicas de solos do Distrito Federal”, objetivou a utilização de técnicas de espacialização de dados geotécnicos pontuais colecionados em um banco de dados georreferenciados com cerca de 650 registros, resultando em cartas de solos caracterizadas do ponto de vista geotécnico, voltadas para construção de rodovias e outras obras de terra. Por fim, Oliveira (2000), em “Caracterização geotécnica das areias do Distrito Federal: Avaliação da consistência com adição de cimento e/ou cal”, analisou 63 amostras de areias coletadas em todos os areais cadastrados na Secretária de Meio Ambiente e Recursos Hídricos do Distrito Federal. Utilizando as informações geradas por esse conjunto de trabalhos, foi desenvolvida a tese de doutorado de Carneiro (1999), intitulada “Mapeamento geotécnico e caracterização dos materiais naturais de construção do Distrito Federal: uma base de dados Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 431 para o planejamento e gestão”, na qual se buscou o entendimento da distribuição espacial dos materiais de construção no Distrito Federal, visando sintetizar essas informações em um conjunto de cartas geotécnicas específicas para materiais de construção. Paralelamente, iniciou-se, no Programa de Pós-graduação, o desenvolvimento da linha de pesquisa em Geotecnia Ambiental. Alguns temas dessa nova linha de pesquisa buscaram apoio nos trabalhos do Grupo de Pesquisa em Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento. Os primeiros trabalhos objetivaram conhecer melhor os aspectos geotécnicos ambientais que envolvem a disposição de resíduos sólidos urbanos e o armazenamento de combustíveis (hidrocarbonetos) em tanques enterrados, principalmente no sentido de identificar os mecanismos de transporte dos contaminantes envolvidos nesses casos, como o chorume e a gasolina. Esses estudos resultaram na tese de doutorado de Ana Cristina Strava Corrêa, concluída em 2001, intitulada “Avaliação da capacidade de confinamento dos solos tropicais: Uma contribuição à escolha de novas áreas para disposição de resíduos sólidos urbanos”. Esse trabalho, a partir de estudos em laboratório, permitiu estabelecer um modelo preliminar para o entendimento da atenuação natural de contaminantes em solos tropicais, os quais influenciam no transporte desses contaminantes através do solo. Permitiu também a indicação de critérios para trabalhos de mapeamento. Nessa mesma linha, mas trabalhando com gasolina, foi concluída a tese de Duarte (2003), “Avaliação do risco relacionado à contaminação dos solos por hidrocarbonetos no Distrito Federal”, na qual foram realizados estudos dos efeitos da gasolina no solo e também trabalhos de cartografia geotécnica para avaliação do risco de contaminação devido a vazamentos em tanques de armazenamento de combustíveis. Os trabalhos de Sousa (2004), “Estudo da atenuação natural dos solos tropicais: ensaios com fluxo de contaminantes”, e Gurjão (2005), “Estimativa de propriedades geoambientais de camadas impermeabilizantes de solos tropicais”, buscaram entender os fatores que interferem na obtenção dos parâmetros, em laboratório, utilizados nos modelos de transporte de contaminantes, em especial quando aplicados a solos tropicais que mostraram possuir características de atenuação com grande dependência física quando comparados com solos de outras regiões onde a dependência química predomina. Destaque especial deve ser dado aos trabalhos de cartografia geotécnica voltados para a prevenção e o controle de processos erosivos, dentre os quais podemos citar: Utilização do geoprocessamento no cadastro das erosões das porções e sudoeste do Distrito Federal” (Oliveira, 2002); “Cadastro georreferenciado de erosões no Distrito Federal” (Martins, 2005); “Uma modelagem de previsão de evolução de processos erosivos” (Molinero, 2007), e “Avaliação dos fatores condicionantes dos processos erosivos no Distrito Federal” (Arcaya, 2007). A experiência adquirida para realização de cadastro e estudos de erosão permitiu que alguns trabalhos fossem realizados fora do Distrito Federal, mas sempre visando o desenvolvimento metodológico para à escala regional, como 432 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB foi o caso da dissertação de mestrado de Barros (1996), intitulada “Utilização de Geoprocessamento em Estudos de Suscetibilidade à Erosão na Área de Influência da UHE Barra do Peixe”; de Francisco (2003), “Cadastramento e diagnóstico de erosões nas fazendas da Faber Castell no Município do Prata-MG”, e de Silva (2008), “Estudo regional para avaliação da erosão laminar da bacia hidrográfica do Reservatório Corumbá IV”. O trabalho de doutorado de Macêdo (2009), “Estudo de modelos em ambiente de geoprocessamento para a previsão de erosão e assoreamento de reservatórios: o caso da bacia do rio Indaiá – UHE Três Marias, MG”, foi particularmente desenvolvido nesse local, devido à existência de dados de sedimentometria e outros gentilmente cedidos pela Centrais Elétricas de Minas Gerais –CEMIG, o que permitiu aprimorar a calibração dos modelos. Essas pesquisas propiciaram uma grande evolução na elaboração de cadastro e entendimento dos fatores que interferem nos processos erosivos e assoreamento de reservatórios. Nesse sentido, recentemente o Grupo de Pesquisa passou a integrar um projeto para estudo das águas no Distrito Federal. Nesse estudo, colabora com aspectos referentes ao entendimento dos processos erosivos e do assoreamento, em especial no âmbito da Bacia Hidrográfica do Reservatório do Rio Paranoá, visando estabelecer formas de mitigação do assoreamento e de melhoria da qualidade da água do Reservatório que, em futuro breve, deverá ser utilizada no abastecimento público. 4 Cartografia Geotécnica Municipal Para áreas municipais fora da abrangência do Distrito Federal, vários foram os trabalhos realizados, sempre procurando incorporar as técnicas de geoprocessamento e o desenvolvimento de análise espacial voltada para o diagnóstico e os prognósticos de interesse para o desenvolvimento do município. Para a cidade de Natal, RN, foram desenvolvidos dois trabalhos. O primeiro, concluído em 1996, foi a dissertação Moreira (1996), intitulada “Mapeamento geotécnico do município de Natal-RN e áreas adjacentes”. Mais recentemente, o mesmo pesquisador concluiu sua tese de doutorado “Mapeamento geotécnico e reconhecimento dos recursos hídricos e do saneamento da área urbana do município de Natal-RN: subsídios para o plano diretor” (Moreira, 2002), em que foram usadas técnicas de geoprocessamento para poder traçar um modelo do aquífero que abastece a cidade. Com essas informações espacializadas em ambiente de geoprocessamento, é possível fazer simulações no sentido de garantir a boa utilização do aquífero. Para o Município de Feira de Santana, BA, foi realizado o trabalho de mestrado de Bastos (1996), intitulado “Estudos com Sistemas de Informação Geográfica para o Mapeamento Geotécnico do Município de Feira de Santana-BA”. Nesse trabalho, deu-se destaque especial à elaboração de um zoneamento geotécnico geral para orientação ao planejamento municipal. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 433 Para a cidade de Palmas, TO, foi realizada a dissertação de mestrado de Santos (2000), intitulada “Cartografia geotécnica regional do Município de Palmas/ TO: Área a oeste do meridiano 48W.Gr”. Foram aplicadas técnicas de geoprocessamento em praticamente todas as fases do trabalho, o que resultou em um conjunto de cartas temáticas: espessura e escavabilidade dos materiais inconsolidados, materiais naturais para obras de pavimentação, erodibilidade potencial, de disposição de resíduos e de condições geotécnicas. Para a cidade de Maputo, em Moçambique, foi realizado o trabalho do geólogo do Laboratório de Engenharia de Moçambique, Abel (2002), defendeu a dissertação intitulada “Caracterização geológico-geotécnica dos solos de Laulane/Maputo para fundações de edifícios”. Foram utilizadas técnicas de geoestatística para a modelagem de parâmetros de interesse geotécnico para determinação da capacidade de carga na área de expansão da cidade de Maputo, em Moçambique. No momento, esse pesquisador desenvolve seu trabalho de doutorado para fazer uma cartografia dos materiais naturais de construção para a Província de Maputo. Para o Município de Manaus, AM, foi concluído, em agosto de 2004, o trabalho de doutorado, Prado (2004), intitulado “Sistemática de investigação e de caracterização dos materiais inconsolidados para mapeamento geotécnico na região amazônica: estudo de caso na região de Manaus”. Foram estudados métodos mais apropriados para mapeamento geotécnico na Amazônia, dando ênfase ao uso de produtos de sensoriamento remoto para uma compartimentação fisiográfica e às técnicas de geoprocessamento para a análise cartográfica. Em 2006, o engenheiro Wallace Roque concluiu o trabalho mestrado intitulado “Mapeamento geoambiental da área urbana de Manaus – AM”, no qual foi desenvolvido um banco de dados de sondagens geotécnicas, da área urbana e periurbana de Manaus, utilizado para a caracterização de unidades geotécnicas delimitadas por fotointerpretação e análise de modelo digital da topografia. Em especial, pode-se comprovar a estreita relação entre as formas de terreno e suas características geotécnicas. Com base nessa compartimentação, pode-se realizar uma série de cartas específicas, como a de riscos geológicos, a de escolha de áreas para disposição de resíduos sólidos e a de disponibilidade de recursos naturais – materiais naturais de construção. No momento, está-se dando continuidade a esse trabalho na tese de doutorado desenvolvida pelo mesmo autor. Para cidade de Medellín, na Colômbia, foi realizado um estudo por Garcia (2004), intitulado “Avaliação da susceptibilidade aos movimentos de massa usando sistemas de informação geográfica e redes neurais artificiais: Caso de aplicação – Medellín, Colômbia”. Nesse estudo, foram empregadas técnicas de redes neurais, em ambiente de geoprocessamento, para identificação dos fatores que interferem nos processos de movimento de massa e, assim, realizar um mapeamento da susceptibilidade aos movimentos de massa para aquela região. Para o Município de Barreiras, BA, Soares Neto (2005) desenvolveu a tese de doutorado “Avaliação geoambiental da Bacia do Rio de Ondas no Oeste da 434 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Bahia”. Pela sua contribuição ao desenvolvimento sustentável, recebeu do Governo do Estado da Bahia o prêmio “Bahia Ambiental”. Para o Município de Coari, na Amazônia, Almeida (2005) desenvolveu o trabalho “Coari: Petróleo e sustentabilidade”, em que se analisaram os impactos causados pela explotação de petróleo na província petrolífera de Urucu naquele município. Para Goiânia, foi realizado o trabalho de doutorado de Romão (2006), intitulado “Modelagem de terreno com base na morfometria e em sondagens geotécnicas – Região de Goiânia – GO”. A pesquisadora realizou análise do relevo utilizando modelo de entropia, além dos atributos morfométricos tradicionais, como a declividade e as curvaturas. Elaborou um banco de dados georreferenciado das investigações geotécnicas e analisou as relações das características geotécnicas com as morfométricas. 5 Cartografia Geotécnica Urbana – Brasília A primeira experiência do Grupo de Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento com o mapeamento para escala urbana foi realizada por Marilene Gouveia de Oliveira em seu trabalho de mestrado concluído em 1996. Nesse trabalho, intitulado “Mapeamento Geotécnico da Asa Sul – Brasília – DF”, foi iniciada a utilização de investigação geotécnica baseada em sondagens de simples reconhecimento (SPT – Standard Penetration Test), com as quais se montou um banco de dados. As localizações das sondagens foram georreferenciadas e desenhadas em programas CAD (Computer Aid Design), com as quais foram elaboradas seções geológicas – geotécnica visando à modelagem da distribuição espacial dos materiais de subsuperficie e do nível do lençol freático. Com base nessa experiência, entendeu-se que não se dispunha, na época, de programas computacionais que permitissem avançar com a ideia de uma cartografia tridimensional para áreas urbanas. Em 2002, a ideia de se trabalhar com sondagens SPT para elaboração de cartas que representassem tridimensionalmente as condições de subsuperficie em áreas urbanas foi retomada com o trabalho de doutorado Romão (2006). Nesse trabalho, foi montado um banco de dados de investigações geotécnicas. O banco foi estruturado no programa de sistema de informações geográfica “Spring”. Com o uso desse programa, foi possível mapear a espessura dos materiais inconsolidados, a profundidade do nível da água nas estações chuvosas e de seca, além dos valores do número de golpes obtidos nas sondagens SPT para diversas profundidades. Na expectativa dos bons resultados agora encontrados, o então mestrando Carlos Petronio Leite da Silva inicia um pesquisa mais específica para o uso de programas que permitissem interpolação tridimensional de dados numéricos, de forma a caracterizar a distribuição desses dados em um espaço representado por um volume. Em outras palavras, a distribuição espacial dos valores de um Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 435 atributo como a cota altimétrica ou valores de profundidades e espessuras não pode ser considerada realmente como uma representação tridimensional (3D), pois é a representação de um valor (v) para uma determinada posição (x,y) e, por isso, no meio técnico é conhecida como 2,5D. A verdadeira representação 3D tem como elemento de posição um sistema de coordenadas tridimensional (x,y,z) e a essa posição associado um valor (v) que representa o atributo numérico que se deseja espacializar. Alguns programas foram testados e optou-se pelo “Rock Works”, em vista de suas características funcionais que atendem às atuais necessidades de desenvolvimento da pesquisa e de seu relativo baixo custo. Para esse trabalho, foram estabelecidas parcerias com diversas empresas de investigação geotécnica que atuam no Distrito Federal e, com isso, foi possível reunir cerca de 5.000 sondagens dessa região. Para a área do Plano Piloto de Brasília, foi possível georreferenciar as coordenadas planas e do topo de cerca de 1.800 dessas sondagens. Muitos foram perdidos por impossibilidade de localização devida, principalmente, às mudanças de endereçamento por que passou Brasília nos seus primeiros anos. Assim, foi concluído o trabalho de Silva (2007), intitulado “Cartografia geotécnica de grande escala: Estudo de caso Brasília – área tombada pela Unesco”, no qual se encontra a base metodológica que se tem aplicado no mapeamento 3D. Nesse trabalho, foram estudadas três áreas específicas de Brasília com abrangências espaciais diferentes: uma para a construção de um conjunto de edificações para finalidades hoteleiras, o “Ilhas do Lago”; outra para uma área no Campus da UnB na Assa Norte, e a de maior abrangência para o “Setor Sudoeste”. Dando continuidade ao mapeamento do Plano Piloto de Brasília, Alves (2009), complementou o banco de sondagens construído por Silva (2007). Realizou interpretações no sentido de dar um entendimento estratigráfico para as sondagens e concluiu a dissertação de mestrado “Cartografia geotécnica para obras subterrâneas: Condições de construções de garagens subterrâneas e metrô no Plano Piloto de Brasília”. Nesse trabalho, a pesquisadora apresenta os resultados na forma de cartogramas e seções geológicos – geotécnica que representam as características de profundidade do impenetrável, nível da água para estações chuvosa e seca, espessuras das camadas de solos e dos valores de SPT para diversas profundidades, além de avaliar essas informações para identificar as condições de construção de obras subterrâneas como garagens e o Metrô. No momento, estamos realizando, para a tese de doutorado de Carlos Petronio, um mapeamento onde será construído um novo bairro em Brasília para cerca de 70.000 habitantes, o “Setor Noroeste”. O mapeamento dessa área busca incorporar o uso de informações obtidas por levantamentos geofísicos que, integradas às informações de sondagens, permitirão a elaboração de modelos tridimensionais com maior confiabilidade e avanços na previsão de comportamentos geotécnicos. 436 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 6 O futuro do grupo de Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento Nos últimos anos, a pesquisa tem se concentrado em quatro linhas de trabalho. A primeira está voltada para o entendimento dos processos erosivos e de sedimentação no Centro–Oeste, visando à orientação para projetos de implantação, manutenção e recuperação de rodovias, o controle e a recuperação de áreas degradadas e o assoreamento de reservatórios. A segunda está voltada ao entendimento e à obtenção de parâmetros para o cálculo de transporte de contaminantes em solos tropicais visando, principalmente, à avaliação de riscos associados aos depósitos de resíduos sólidos e ao armazenamento de hidrocarbonetos. A terceira está voltada à cartografia geotécnica urbana de detalhe, baseada em dados de investigações geotécnicas e geofísicas, avaliações morfométricas e mapeamento tridimensional. Por fim, a quarta linha está voltada ao desenvolvimento da cartografia geotécnica e geoambiental para operar como efetiva técnica de suporte a decisão. Todos os trabalhos têm procurado incorporar tecnologia de geoprocessamento, principalmente no que diz respeito à estruturação de bancos de dados georreferenciados, à utilização de produtos de sensoriamento remoto e ao desenvolvimento de modelos de análise espacial. A análise do histórico do Grupo de Pesquisa em Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento nos indica uma forte necessidade de avançar no uso do geoprocessamento na elaboração de modelos tridimensionais, para grandes escalas em áreas urbanas, bem como na análise espaço-temporal visando, principalmente, à possibilidade de implantação de mecanismos de tomada de decisões. Isso reafirma a necessidade de ampliarmos o domínio de técnicas de modelagem tridimensional que permitam a elaboração da cartografia geotécnica para análise diagnóstica, avaliação prognóstica e estabelecimento de orientações para o planejamento da ocupação urbana superficial e subterrânea. A partir de 2006, foram concluídos vários trabalhos no sentido de confirmar o potencial dessa nova tendência: “Modelagem de terreno com base na morfometria e em sondagens geotécnicas - Região de Goiânia – GO” (Romão, 2006); “Mapeamento geoambiental da área urbana de Manaus – AM” (Roque, 2006); “Cartografia geotécnica de grande escala: Estudo de caso Brasília – área tombada pela Unesco” (Silva, 2007); “Cartografia geotécnica para obras subterrâneas: Condições de construções de garagens subterrâneas e metrô no Plano Piloto de Brasília” (Alves, 2008). Em todos esses trabalhos, foram realizados os primeiros ensaios de elaboração de cartografia tridimensional a partir de um banco de sondagens geotécnicas. Na tese de Damião (2007) ,“Uso de técnicas de análise multivariada para a predição de desmatamento na Amazônia: O modelo Amazon-PD”, foi possível avaliar o potencial da análise espaço-temporal na previsão de mudanças no uso e na cobertura do solo. Assim, podemos dizer que o futuro do Grupo de Pesquisa em Cartografia Geotécnica e Geoprocessamento é poder dominar e disponibilizar técnicas que permitam a tomada de decisões com base em informações cartográficas capazes Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 437 de representar as informações geotécnicas e o comportamento espaço-temporal frente às solicitações que a natureza e o Homem impõem ao meio ambiente, de forma que se possa garantir uso sustentável dos recursos. Bibliografias Abel, L. S. (2002). Caracterização geologico-geotécnica dos solos de Laulane/ Maputo para fundações de edifícios. Dissertação (Mestrado em Geotecnia), Universidade de Brasília, Brasília, DF. 172 p. Aguiar, R. L. (1997). Zoneamento Geotécnico Geral do Distrito Federal: Procedimentos Metodológicos e sua Inserção na Gestão Ambiental. Tese (Doutorado em Engenharia Civil Geotecnia São Carlos), Universidade de São Paulo, São Paulo, SP. 269 p. Almeida, W. S. (2005). 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Capítulo 20 Desenvolvimento de modelagem tridimensional de subsuperfícies Carlos Petrônio Leite da Silva Newton Moreira de Souza 1 Introdução O uso adequado do solo para a construção de grandes obras civis necessita de conhecimentos específicos que envolvam as condições geotécnicas e ambientais de determinadas localidades (Dearman, 1991). Brasília, Capital da República Federativa do Brasil, localizada no território do Distrito Federal, apresenta solos problemáticos em relação à capacidade de suporte em seu estado natural e compactado, conhecidos como solos porosos e colapsíveis, de forma que, em quase toda a área urbana, ocorre a presença de uma camada superficial de argila mole. Devido a tais características, disponibilizar dados geotécnicos, principalmente os que se referem às camadas de solo acima do impenetrável, para as obras de fundações, torna-se cada vez mais interessante para as empresas de construção civil, pois estas podem reduzir tempo e despesas de projetos, especialmente durante a fase de viabilidade (Zuquette & Gandolfi, 2004). Em meados da década de noventa, fez-se a primeira tentativa, para a área urbana de Brasília, de realizar um trabalho de mapeamento que permitisse ter uma visão tridimensional da subsuperfície. A dissertação de mestrado “Mapeamento Geotécnico da Asa Sul- Brasília- DF”, Oliveira (1996), permitiu fazer várias seções geológico-geotécnicas, usando praticamente métodos tradicionais (analógicos) para a interpretação dos dados das investigações geotécnicas. Apenas as representações, isto é, os desenhos, eram realizadas em ambiente computacional, não existindo, na época, capacidade disponível para interpolação tridimensional dos dados. Com a disponibilidade de programas que passaram a ter facilidades de métodos de interpolação no início do século, resolve-se fazer nova investida para se ter um entendimento mais detalhado da subsuperfície e fazer modelos tridimensionais que permitam planejar e projetar a ocupação do espaço subterrâneo. Inicialmente, foram realizados dois trabalhos: um para a cidade de Goiânia, GO e outro para Manaus, AM. Essas cidades foram escolhidas por apresentarem 442 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB disponibilidade de dados e pesquisadores interessados em desenvolver o trabalho. Para a cidade de Manaus, o trabalho de mestrado de Roque (2006) buscou um entendimento tridimensional da subsuperfície, fazendo uma compartimentação do espaço em função das características morfogenéticas do relevo e associando essa divisão do espaço superficial às características subsuperficiais obtidas nas investigações geotécnicas, em especial sondagens SPT. Para a cidade de Goiânia, foi realizada a tese de Romão (2006), que permitiu a espacialização de diversas “superfícies” representativas das interfases dos diferentes materiais de subsuperfícies, bem como do nível do lençol freático. A interpolação dos valores de números de golpes nas sondagens SPT (Standard Penetration Test) só foi possível espacializar na medida em que se escolhiam dados referentes a uma profundidade pré-definida e se utilizavam as mesmas técnicas para se obterem superfícies do tipo de modelo numérico de terreno onde, para uma coordenada bidimensional (x,y), associa-se um valor numérico (v), conhecido no meio técnico como 2,5D. Os modelos tridimensionais verdadeiros (3D) associam um valor numérico (v) a uma coordenada tridimensional (x,y,z). Em 2006, o então mestrando Carlos Petrônio Leite da Silva começou a desenvolver, para a sua dissertação de mestrado, um banco de dados digital de sondagens georreferenciadas (sondagens à percussão SPT) para modelar a área do Plano Piloto de Brasília. Atualmente, esse banco de dados conta com um cadastro de mais de 1800 sondagens. Além disso, os autores deste capítulo começaram a desenvolver modelos bidimensionais e tridimensionais, com os dados de sondagens, partindo, inicialmente, de estudos de casos em áreas específicas de Brasília até se conseguir, em 2009, com a dissertação de mestrado de Alves (2009), realizar uma modelagem 3D, de dados geotécnicos, de todo o Plano Piloto. Atualmente, o Programa de Pós-Graduação em Geotecnia (PPGG) da UnB tem expandindo os estudos no campo da prospecção geotécnica e modelagem 3D, utilizando a integração de dados geofísicos de sísmica de refração rasa e métodos elétricos, com dados de investigação direta, como é o caso das sondagens à percussão SPT, provas de carga e, em alguns casos, com dados do penetrômetro dinâmico PANDA e investigação laboratorial de amostras indeformadas. A investigação por meio de métodos indiretos conta com a parceria do Programa de Pós-Graduação em Geologia da UnB. 2 Metodologia A metodologia para modelagem 3D, desenvolvida pelos autores deste capítulo, foi apresentada na dissertação de Silva (2007). O método consiste basicamente de 16 fases. Obviamente, alguma fase pode ser ignorada durante o processo, ou mesmo uma ou outra fase extra pode ser adicionada, a depender Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 443 das particularidades do projeto a ser desenvolvido. Essas fases foram criadas de forma a atender diversas capacidades de desenvolvimento do trabalho, ou seja, adaptadas de acordo com os recursos de que o trabalho ou a pesquisa dispõem no momento. 2.1 Fase 1 – Identificação ou Localização da Área de Trabalho A identificação da área de trabalho (Figura 1) é importante por alguns motivos. O primeiro deles refere-se à possibilidade de, a partir da localização da área, em muitos casos, inseri-la em um contexto geológico, por meio de estudos existentes para a área. Tais mapas geológicos são, muitas vezes, de fácil acesso, muitos deles disponíveis em teses de doutorado e dissertações de mestrado; outros podem ser obtidos em órgãos estaduais que controlam esse tipo de informação, como, por exemplo, o Sistema de Informações Geográficas e Estatísticas do Estado de Goiás (Sieg/GO) e o Serviço Geológico Brasileiro (CPRM), que são boas fontes de conhecimento, além do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), que tem um bom mecanismo de divulgação de mapas. Enfim, é possível conseguir fontes de boa qualidade que podem fornecer informações geológicas importantes sobre a área de trabalho. O conhecimento prévio da geologia regional é de suma importância para quem quer realizar qualquer tipo de modelagem, seja ela bidimensional ou tridimensional. Esse conhecimento aliado ao conhecimento geotécnico regional e a experiência do profissional diminuem consideravelmente as incertezas dos modelos. Outro motivo para a localização da área de trabalho, associado ao primeiro, está relacionado ao cadastro georreferenciado dos dados e seu registro em um banco de dados digital, além, é claro, da manipulação das informações que porventura estejam contidas no banco de dados. Esse processo é otimizado por meio do uso de geotecnologias, tais como o GPS (Global Positioning System), as ferramentas de geoprocessamento e o sistema de informação geográfica (SIG). Pode-se dizer que, em médio prazo, o cadastro permite um bom conhecimento geotécnico da área abrangida pelo cadastro. Há, ainda, outro fator primordial, que é a própria expansão do cadastro a longo prazo, o que permite o refinamento dos modelos e do próprio conhecimento geotécnico. Silva (2007) estruturou uma metodologia para cadastro de sondagens à percussão e realizou o georreferenciamento de aproximadamente 1600 sondagens para o Plano Piloto de Brasília. Atualmente, esse cadastro conta com mais de 1800 sondagens à percussão georeferenciadas em banco de dados digital, além de outros dados, como a base cartográfica na escala 1/10.000 com curvas de nível de 5 m para todo o Distrito Federal (DF) e base cartográfica na escala 1/2.000 com curvas de nível de 1 m para toda área urbana do DF. 444 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 1 – Exemplo de localização de área de trabalho (Silva, 2007). 2.2 Fase 2 – Estruturar os dados em um banco de dados digital Na fase 2, deve-se reunir o máximo possível de dados relevantes para o trabalho. A base cartográfica já é um excelente começo; dados de topografia, na forma de modelo numérico de terreno (MNT), também são de grande importância. Outras fontes, em escala compatível com o nível de detalhamento do trabalho, como mapa geológico, mapa geomorfológico, mapa pedológico, mapa de cobertura e uso do solo, imagens de satélite com boa resolução espacial, entre outros, tornam-se excelentes instrumentos para uma modelagem de sucesso. Tanto a base cartográfica quanto o MNT serão abordados neste capítulo como fase de projeto, dada a importância de ambos, apesar de, em muitos casos, essas fases serem ignoradas durante o processo de modelagem. Contudo, reunir os dados não é suficiente; eles devem ser organizados de tal forma que se possa extrair a informação desejada com maior velocidade e qualidade. Câmara & Queiroz (2006) explicam que a construção de uma base com informações de dados geográficos é um processo que pode ser demorado e trabalhoso e com o qual se gasta maior parte dos recursos. Portanto, uma base com informações de dados geográficos, melhor definida como banco de dados digital, precisa ter: • metodologia consistente – definição única dos atributos, padrões de interpretação dos dados e dos procedimentos a serem executados; • identidade de objetos – definição da articulação dos mapas (recortes arbitrários do espaço) que deverão compor a área de trabalho e identidade única dos objetos; • suporte a múltiplas escalas e projeções – os objetos, além de serem únicos no banco de dados, podem ter várias representações – por exemplo, um rio pode ser representado por uma linha em uma escala e por um polígono em outra; • acesso aos dados. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 445 Dependendo da carga de dados a ser manipulada, pode ser necessário utilizar um sistema que possa efetivamente gerenciar os dados, organizá-los, espacializá-los e extrair a informação necessária. Essa é uma boa hora para se utilizar um sistema de informação geográfica (SIG). O SIG, que muitos autores confundem com geotecnologia, é um sistema que pode ser divido basicamente em duas partes: uma tecnológica – e aqui entra efetivamente a geotecnologia (GPS, ferramentas de geoprocessamento, sensoriamento remoto, banco de dados, entre outros) – e outra organizacional, em que o sistema compartilha sua capacidade de organização com o homem e interage com ele no processo de tomada de decisões. O SIG é, portanto, um sistema que realiza o tratamento computacional de dados geográficos, visando sempre à tomada de decisões. A principal diferença de um SIG para um sistema de informação convencional é sua capacidade de armazenar tanto os atributos descritivos, como as geometrias dos diferentes tipos de dados geográficos. Assim, para cada furo (ponto de investigação) num cadastro de sondagens, um SIG guarda, além das informações descritivas como numeração do furo e endereço, as informações geométricas a partir das coordenadas geográficas do furo. A partir desses conceitos, é possível indicar as principais características do SIG: • inserir e integrar, em uma única base de dados, informações espaciais provenientes de meio físico-biótico, de dados censitários, de cadastros urbano e rural, entre outras fontes de dados, como imagens de satélite e GPS; • oferecer mecanismos para combinar as várias informações, por meio de algoritmos de manipulação e análise, bem como para consultar, recuperar e visualizar o conteúdo da base de dados geográficos. A estrutura geral do SIG é formada pelos seguintes componentes que se relacionam de forma hierárquica (Figura 2): Figura 2 – Arquitetura de sistemas de informação geográfica (Câmara et al., 1996). 446 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB • interface homem-máquina, que define como o sistema será operado e controlado; • mecanismos de processamento de dados espaciais – entrada e integração de dados; • funções de consulta e análise espacial; • mecanismos de visualização e impressão; • gerência de banco de dados geográficos, incluindo estrutura para o armazenamento dos dados espaciais e seus atributos. 3 Fase 3 – Estabelecer um perfil de solo a partir dos dados geológicos para modelagem estratigráfica Quem trabalha com dados de sondagem SPT sabe da dificuldade em estabelecer um perfil de solo a partir desses dados. Esse é um problema comum e já muito discutido para esse tipo de investigação geotécnica, fato que tem levado as empresas de sondagem a treinar, capacitar e aprimorar seus profissionais a descreverem o perfil de solo encontrado em campo no ato da sondagem. No trabalho feito por Silva (2007), por exemplo, encontraram-se mais de 52 descrições de solo diferentes dentro do plano piloto de Brasília, o que obrigou a pesquisa a adotar, inicialmente, um perfil de solo padrão que, posteriormente, foi adaptado para alguns perfis geotécnicos, de forma a atender as ocorrências em todo o plano piloto. No final, todos esses perfis adotados por Silva (2007) não ultrapassaram dez descrições diferentes de solo. A sequência adotada por Silva (2007) seguiu os estudos feitos por Martins (2000), que sugere um perfil geológico completo (Figura 3). Por outro lado, Bárdossy & Aleva (1990), citados por Martins (2000), dizem que essa descrição é ideal e raramente são observados todos os horizontes num mesmo perfil, ou mesmo em topossequência. Os perfis geralmente são truncados, apresentando a predominância de um ou mais horizontes (Figura 4). Figura 3 – Esquema do perfil completo de solo (Martins, 2000). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 447 Figura 4 – Esquema do perfil truncado de solo (Martins, 2000). Esses perfis geológicos deram a Silva (2007) total condição de elaborar perfis geotécnicos para a região, a partir do conhecimento geológico existente da região. Apesar de o perfil geológico apresentado por Martins (2000) ser um bom começo, em muitos casos, a descrição completa das camadas não contempla vários estudos de caso. Há situações, dentro do DF, em que se podem encontrar camadas de turfa entre os horizontes descritos, ou até mesmo camadas de material pouco comum, como é o caso solos moles com alto teor de manganês. De fato, o perfil geológico é algo regional e serve como base para os estudos geotécnicos. A partir deles, consegue-se fazer adaptações para os perfis geotécnicos locais. 4 Fase 4 – Obtenção da Base Cartográfica da área caso exista A fase de obtenção da base cartográfica da área, a depender da pesquisa ou trabalho, pode ser ignorada; porém, em muitos trabalhos, é uma fase indispensável. Já foi comentado que o processo de obtenção dos dados necessários da área em estudo começa com a aquisição da base cartográfica. A base cartográfica facilita, entre outras coisas, o processo de georreferenciamento dos furos de sondagem SPT. Pode-se, por meio do endereço da sondagem, checar o local e georreferenciar a sondagem. Silva (2007) conseguiu, junto à Codeplan de Brasília, uma base cartográfica na escala 1/10.000 com curvas de nível de 5 m para todo Distrito Federal (Codeplan, 1991) e uma base cartográfica na escala 1/2.000 com curvas de nível de 1 m para a área urbana da região do Plano Piloto de Brasília (Codeplan, 1998). Não é para qualquer área do país que se tem disponível uma base cartográfica com essa. No entanto, deve-se fazer um esforço de forma a obter o que houver de melhor nesse sentido para a área de estudo. A base cartográfica apresentada por Silva (2007) na escala 1/2.000 possui os seguintes dados vetoriais: vias, lagos e rios, edifícios comerciais, edifícios resi- 448 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB denciais, edifícios públicos, igrejas e templos, escolas, hospitais, quadras, lotes, conjuntos, pontos cotados e curvas de nível com equidistância de 1 m. A Figura 5 mostra uma parte da base cartográfica montada no programa computacional Spring 4.2. Figura 5 – Base cartográfica na escala 1/2.000 exibida no Spring 4.2 (Silva, 2007). 5 Fase 5 – Elaboração do Modelo numérico de terreno (MNT) – Spring 4.2 A modelagem numérica de terreno é de suma importância em diversas fases da pesquisa. Portanto, um bom modelo numérico de terreno pode muito ajudar todo o processo de modelagem 2,5D e 3D. A princípio, o MNT participa do processo de conhecimento geomorfológico da região, por meio do qual se extraem informações importantes, como a hipsometria local, dados de declividade, concavidades, exposição ou orientação das vertentes, enfim, dados da forma do terreno. Depois, e isto vai depender da precisão e acurácia do MNT, participa ativamente do processo de georreferenciamento dos furos de sondagem, por meio do qual se pode extrair o valor altimétrico (Z) ou cota da boca do furo de sondagem. Esse valor, muitas vezes, é feito com base em referência de nível local. Deve-se ter cuidado ao extrair os valores de Z dos furos de sondagem quando estes não estão ao nível do terreno. Portanto, deve-se ter atenção e ler cuidadosamente relatórios de sondagem que informam que os furos foram feitos após a escavação do terreno. Convém reforçar que, que os valores obtidos de Z ou cota da boca do furo de sondagem, a partir do MNT, dependerá da qualidade do MNT, isto é, quanto menos espaçadas as curvas de nível originais ou a grade numérica, melhor o MNT e, portanto, melhor o valor Z obtido. Em outras palavras, não se pode Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 449 obter o valor Z de qualquer MNT; tem que ser um MNT aceitável para o tipo de trabalho em questão. Silva (2007) mostra a sequência de elaboração do MNT no programa computacional Spring 4.2 (Figura 6). Figura 6 – Sequência de elaboração do modelo numérico de terreno no Spring 4.2 – (a) Geração da grade triangular (TIN); (b) Geração da grade retangular a partir do TIN; (c) Geração de imagem em níveis de cinza,;(d) Geração de imagem sombreada. 6 Fase 6 – Obtenção e Organização dos Relatórios técnicos de sondagem – Parceria da Geotecnia/UnB com empresas de sondagem O processo de obtenção dos relatórios técnicos de sondagem, muitas vezes, depende das empresas que realizam esse tipo de investigação geotécnica de campo. Silva (2007) conseguiu, com as empresas parceiras do PPGG-UnB, mais de 5.000 relatórios de sondagem. Empresas como a Embre, Sonda, Soltec, WRJ, Infrasolo, Francisco Oliveira, Sete, Mísula são algumas das que sempre se dispõem a ajudar o PPGG-UnB, oferecendo seus relatórios de sondagem para a pesquisa acadêmica. 450 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Silva (2007) comenta que a fase de obtenção de dados, em muitos casos, pode ser dividida em duas etapas: a primeira é digitalizar em um scanner todos os relatórios que porventura estejam em formato analógico (Figura 7). Um bom formato para a conversão de analógico para digital é a extensão TIFF (Tagged Image File Format). Silva (2007) sugere que os arquivos eletrônicos resultantes do processo de digitalização dos formatos analógicos devem ser organizados por ano de realização do ensaio, empresa e um sistema de endereçamento inserido na própria pasta para facilitar a busca no computador (Figura 8). A segunda etapa é organizar arquivos concedidos pelas empresas já em formato digital, arquivos com extensão dxf – AutoCAD, por exemplo, agrupando-os pelo mesmo processo de organização: ano de realização do ensaio, empresa e sistema de endereçamento (Figura 8 ). A Figura 7 mostra um exemplo de relatório em formato digital (dxf – AutoCAD). Figura 7 – Exemplo de relatório de sondagem – (1) Formato analógico digitalizado (extensão TIFF) e (2) Formato digital (extensão dxf – AutoCAD). Figura 8 – Organização dos relatórios de sondagens com sistema de endereçamento embutido na própria pasta. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 451 7 Fase 7 – Sistema de banco de dados e cadastro dos furos (Microsoft Access 2003) Em muitos casos, uma pesquisa não dispõe de recursos financeiros para compra de um programa computacional específico que facilite o cadastro dos dados de sondagem. Muitas vezes, é necessário que se crie um mecanismo que facilite o cadastro, visto que esse processo pode ser lento quando feito diretamente no ambiente SIG. Uma boa solução encontrada por Silva (2007) foi a criação de um banco de dados em Access, o que permitiu a criação de um sistema de formulário que facilita o cadastramento dos furos de sondagem. Como muitos sistemas SIG leem com facilidade o banco de dados Access, a solução adotada foi oportuna e prática. De fato, a solução adotada por Silva (2007) pode, com o crescimento e a melhoria, em termos de usabilidade, dos programas computacionais livres ou de baixo custo, ser adaptada de forma a tornar o cadastramento uma ferramenta com custos financeiros extremamente reduzidos, visto que o Microsoft Access é um programa computacional pago. Apesar disso, a solução adotada por Silva (2007) deve ser considerada como uma solução de baixo custo financeiro. A Figura 9 mostra o formulário elaborado por Silva (2007) e um trecho da tabela resultante do cadastro na Figura 10. Apesar da digitalização dos relatórios analógicos e dos relatórios já em formato digital, não há outra forma de se reunirem todos os dados em banco de dados senão pelo cadastramento de forma “manual” de cada um deles, ou seja, reescrever os dados um a um no formulário, visto que muitas empresas não possuem um sistema de banco de dados implementado ou estão em fase de implementação. Mesmo na fase de cadastro, via Access, dos furos de sondagem, o sistema já passa a ser mais eficiente. Basta imaginar qualquer consulta de qualquer sondagem cadastrada e realizar uma simples query (pergunta ao banco de dados, ou consulta) pelo Access para obter a informação. Esse cadastro será amplamente complementado quando migrado para o ambiente SIG. Figura 9 – Formulário para inserção dos dados contidos nos relatórios de sondagens. 452 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 10 – Trecho da tabela do cadastro de sondagens. 8 Fase 8 – Acesso ao banco de dados pelo Spring 4.2 (2D) Em outra fase, a há a ligação do banco de dados elaborado em Access com o banco de dados do Spring. O Spring é compatível com diversos sistemas gerenciadores de banco de dados, entre eles o Access, de forma que migrar o banco de dados em Access para o Spring é um processo quase instantâneo. Deve ser observado no formulário que os campos que envolvem a localização espacial dos furos, ou seja, as coordenadas geográficas dos furos devem ser preenchidas obrigatoriamente para que o Spring possa espacializá-los posteriormente. Em muitos projetos, principalmente em projetos de pequeno porte, não é da prática corrente realizar o georreferenciamento dos furos de sondagem; porém, devem-se cadastrar as coordenadas das sondagens em algum sistema de coordenada, como, por exemplo, o sistema cartesiano ou sistema local. Outro quesito importante é observar o sistema de projeção que será adotado, seja ele UTM, Latitude/Longitude, Policônico ou outro qualquer e o modelo da Terra, seja ele SAD-69, WGS84, SIRGAS, Córrego Alegre, ou outro, adaptado para atender perfeitamente às exigências do projeto. A Figura 11 mostra um exemplo da espacialização dos dados de sondagem cadastrados em Access e migrados para o Spring 4.2. 9 Fase 9 – Digitalização dos Relatórios técnicos de sondagem no LogPlot 7 – Comunicação direta com o RockWorks 14. As fases 9 e 10 tratam de dois programas computacionais específicos para modelagem 2,5D e 3D de dados de sondagem que foram adotados pelo PPGGUnB a partir das pesquisas feitas pelos autores deste capítulo. Antes de o PPGGUnB adquirir a licença dos dois programas computacionais, os autores fizeram várias pesquisas e testes com vários programas de espacialização de dados, como foi o caso do Gemcon e goCad, que são programas bastante conhecidos na área de exploração de minério e exploração de petróleo. Atualmente, existem muitos programas dessa categoria no mercado; muitos deles não foram testados por não estarem disponíveis. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 453 Antes de se comentarem esses dois programas, é bom que se comentem alguns dos vários fatores que afetam na escolha de um determinado programa computacional para a espacialização de dados de solo em três dimensões. Um fator que afeta muito na escolha de um programa computacional, e que muitas vezes pode até inviabilizar a pesquisa ou trabalho, é o custo financeiro do programa. Um programa computacional, como é o caso do goCAD, com vários recursos, também tem seu preço e, em vários casos, essa quantidade de recursos é subutilizada pelo usuário, tornando o programa muito caro para o tipo de trabalho que será desenvolvido. Figura 11 – Associação da tabela de atributos aos furos de sondagem no Spring 4.2 (Silva, 2007). Um programa computacional deve permitir um bom intercâmbio de dados, ou seja, deve aceitar a entrada de dados advinda de outros programas computacionais, por exemplo, aceitar desde a entrada de simples dados em formato de texto puro (ASCII) ou mesmo planilhas eletrônicas até a comunicação direta com banco de dados de outros programas computacionais. Além disso, deve possibilitar uma boa saída de dados, que possa ser efetuada de várias formas. Isso dá uma grande mobilidade ao programa, pois possibilita o desenvolvimento de uma determinada etapa do trabalho em outro programa que porventura seja mais prático. Um programa computacional deve também trabalhar com banco de dados. Programas computacionais que trabalham com grande carga de dados, se não trabalharem com um sistema gerenciador de banco de dados, podem ser um grande problema no futuro. Um dos problemas típicos é a lentidão em processar os dados, erros ocasionados durante o processamento e até mesmo a perda de da- 454 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB dos. Por sorte, a grande maioria dos programas de modelagem 3D de solo e rocha trabalham com algum ou com mais tipos de banco de dados conhecidos atualmente pelo mercado (Microsoft Access, MySQL, PostGIS, Oracle, entre outros). Além disso, deve ter as ferramentas geotecnológicas necessárias para a pesquisa ou o trabalho. Um programa computacional, ao contrário do que se pensa, não precisa ter uma enorme quantidade de recursos, mas, sim, os recursos necessários para o tipo de modelagem que se pretende fazer. Ter boa interatividade com o usuário também é importante. Muitos programas computacionais são reconhecidamente excelentes, porém pouco utilizados devido à falta de interatividade com o usuário. Alguns são muito complexos, outros não possuem interface gráfica, outros possuem interface gráfica de difícil compreensão. Um bom programa computacional deve ter uma interface amigável e de fácil compreensão. Quanto maior a falta de interatividade, maior é a curva de aprendizagem para manipular o programa e maior o tempo que se perde com a pesquisa. Existem muitos programas computacionais no mercado para modelagem de dados 3D, porém, como comentado anteriormente, o programa deve atender aos anseios do usuário. Nesse caso, o primeiro programa computacional LogPlot 7 é uma boa opção, quando se dispõe de algum recurso financeiro. O LogPlot 7 é um programa para elaboração de relatórios técnicos de diversos tipos de investigação de campo, entre eles ensaios de sondagem SPT. Esse programa computacional oferece grandes vantagens na elaboração de relatórios, entre as quais se podem citar: • criação automática de banco de dados para o projeto a ser desenvolvido; • reaproveitamento do layout (log designer) do relatório para qualquer projeto a ser desenvolvido – uma vez desenvolvido pelo usuário, o seu padrão de relatório pode ser reaproveitado para qualquer outro projeto (designer template) sem a necessidade de se desenvolver novamente o layout; • rearranjo ou ajuste automático do relatório em função do cadastramento da informação; • facilidade de manuseio – todos os usuários do LogPlot 7 no PPGG-UnB adaptaram-se rapidamente às ferramentas oferecidas por esse programa, apresentando uma curva de aprendizagem muito curta, o que é excelente para um programa computacional; • interface amigável com o usuário; • disponibilidade de um bom tutorial e bom help; • possibilidade exportação dos relatórios em formato de planilha eletrônica; • comunicação direta com o programa computacional de modelagem de dados de solo e rocha RockWorks 14. Essas vantagens levaram o PPGG-UnB a adquirir o LogPlot 7, no intuito de facilitar o cadastro das sondagens que são oferecidas pelas empresas de sondagem de Brasília. A Figura 12 mostra um exemplo de relatório produzido no LogPlot 7. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 455 10 Fase – Acesso ao banco de dados LogPlot 7 pelo RockWorks 14 A fase 10 é relativamente simples. Trata-se de importar os dados produzidos pelo LogPlot 7 para o RockWorks 14 (Figura 13). Um bom programa deve ter uma boa gama de opções de importação de dados. Como o LogPlot 7 e o RockWorks 14 são produtos de uma mesma empresa, é de se esperar que eles tenham um bom intercâmbio de dados. A vantagem em se utilizar programas computacionais desse tipo é a economia de tempo oferecida ao usuário, principalmente no que concerne à transcrição de dados. Os dados do LogPlot 7 importados pelo RockWorks 14 não precisam ser transcritos ou adaptados ou ajustados em nenhuma etapa do processo. Obviamente o usuário pode realizar esse cadastro diretamente no RockWorks 14, porém não terá os recursos de elaboração de relatório de sondagens do LogPlot 7. Figura 12 – Exemplo de relatório técnico de sondagem produzido no LogPlot 7. Figura 13 – Tela de importação de dados do RockWorks 14. 456 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 11 Fase – Definição de uma grade 3D baseada nas sondagens Após a importação ou o cadastrado das sondagens diretamente no RockWorks 14, deve-se estabelecer os limites do projeto, um cubo envolvente para o projeto (Figura 14). Na maior parte dos casos, o usuário pode deixar ao encargo do próprio programa o estabelecimento dos limites. Clicando no ícone Scan All Boreholes ou Scan Enabled Boreholes, o programa estabelecerá automaticamente os limites. Os valores máximos e mínimos, assim como o espaçamento dos voxels (uma espécie de pixel em três dimensões) do cubo envolvente, podem ser ajustados pelo usuário no instante em que desejar. Figura 14 – Descrição dos limites do cubo envolvente do projeto no RockWorks 14. 12 Fase – Transcrição dos parâmetros para modelagem 3D (litologia, estratigrafia, N(SPT), Recuperação, NA, entre outros) Caso não se disponha dos recursos do LogPlot 7 ou por opção, pode-se transcrever os dados diretamente dos relatórios de sondagem para o programa RockWorks 14. Os parâmetros mais comuns são os litológicos no caso de descrição de rochas ou descrição de solos em certos casos; estratigráficos para descrever as camadas de solo ou material escavável e de rocha, valores de Nspt ou qualquer medida numérica (dados geofísicos, geoquímicos, parâmetros de resistência, entre outros) que podem ser descrita pontualmente ou entre intervalos preestabelecidos, nível d’água, entre outros parâmetros que podem ser perfeitamente adaptados para o RockWorks 14. Uma solução que pode ser utilizada quando se tem uma grande quantidade de solos descritos nos relatórios de sondagem é cadastrar os dados de descrição de solo dos relatórios na litologia, realizar o modelo litológico, avaliar quais as Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 457 camadas mais importantes ou predominantes no modelo e, por fim, propor um perfil estratigráfico para, posteriormente, realizar a modelagem estratigráfica (Figura 15). Figura 15 – Transcrição dos dados dos relatórios para o modelo litológico. 13 Fase – Nível d’água A descrição de nível d’água, como pode ser observado no menu da Figura 2.16, leva em consideração a geometria e o tempo. Os dados para o cadastro do nível d’água levam em consideração o fator tempo, ou seja, o RockWorks 14 leva em consideração a data de medição do nível d’água, além das profundidades de topo e base (topo é a profundidade da superfície superior do nível d’água para uma data de medição, e base, quando identificada, em caso de lençol suspenso ou base da unidade do aquífero) que, posteriormente, podem servir para modelagem volumétrica do lençol freático em diversas épocas do ano, de maneira que se pode avaliar o comportamento em termos de variação de profundidade e volume do lençol freático, ao longo do ano. No caso da Figura 16, as profundidades do topo e da base são coincidentes, porque só interessava modelar a superfície do topo do lençol freático. Figura 16 – Cadastro do nível d’água no RockWorks 14. 458 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 14 Fase – Modelo das edificações em 3D Caso seja necessário, tem-se a opção de espacializar em 3D as edificações (Figura 17), por meio do preenchimento de um arquivo texto (ASCII), como o manual do programa sugere. O arquivo tem um cabeçalho relativamente simples; o trabalho maior consiste em determinar as coordenadas do(s) edifício(s) que se pretende espacializar. É muito útil para compreensão do modelo a espacialização 3D dos edifícios. Muitos profissionais e até mesmo leigos que não têm familiaridade com os modelos 3D conseguem compreender melhor ou se situar melhor quando veem as edificações. Figura 17– Cadastro das edificações para modelagem tridimensional no RockWorks 14. 15 Fase – Escolha dos métodos de interpolação no RockWorks 14 A fase 15 do processo é a escolha do interpolador. A interpolação, de maneira geral, tem a capacidade de apoiar os processos de decisão espacial, bem como passar informação vetorial (pontos) para matricial (raster). A dúvida que se tem é saber que tipo de interpolador se ajusta melhor aos dados que serão interpolados e ao resultado esperado. Há vários tipos de interpolação, e qualquer uma pode ser feita a partir de dados pontuais, linhas e áreas. Nos interpoladores globais, usa-se uma única função para toda a área em estudo. Por sua vez, os interpoladores locais aplicam algoritmos repetidamente a subconjuntos dos pontos de amostragem. Os interpoladores exatos respeitam os dados existentes, enquanto os aproximados assumem incertezas (erros) nos dados existentes, respeitando as tendências globais dos dados. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 459 A modelagem geoestatística é um ramo da estatística que lida com problemas associados ao espaço. Tem por base que pontos próximos no espaço tendem a ter valores mais parecidos do que pontos mais afastados; as propriedades são a autocorrelação, a continuidade e a dependência espacial. Segundo Camargo (1997), a diferença básica entre os métodos tradicionais de interpolação espacial e a geoestatística resume-se em: os primeiros requerem valores das amostras independentes espacialmente, ao passo que a geoestatística requer valores das amostras correlacionadas (dependentes) no espaço. Por essa característica, a geoestatística tem alcançado grandes aplicações em disciplinas ligadas a geociências para efetuar estimativas e/ou simulações de variáveis em locais não amostrados. A Figura 18 mostra a janela de escolha dos interpoladores no RockWorks 14. Dentre eles, os mais conhecidos que são o IDW (Inverse Distance Weight) e a krigeagem (interpolador geoestatístico). É comum que se faça mais de um modelo, com mais de um interpolador para comparar resultados e determinar qual o melhor caminho a ser seguido. Figura 18 – Escolha do método de interpolação no RockWorks 14, com destaque para o interpolador IDW e Krigeagem. 16 Fase – Apresentação de Resultados A apresentação dos resultados será dependente do produto que se pretende obter do trabalho ou na pesquisa – em outras palavras, vai depender do foco da pesquisa. Muitas pesquisas têm foco apenas no cadastramento dos dados em ambiente SIG (Figura 19) ou no cadastro e na geração de relatórios (Figura 20). Como os interesses são diversos, serão apresentados alguns resultados que podem ser obtidos a partir da metodologia apresentada. 460 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Figura 19 – Exemplo de cadastramento de dados de sondagem no Spring – Projeto Ilhas do Lago, Brasília, DF. Figura 20 – Exemplo de relatório de sondagem elaborado no LogPlot 7 – Projeto UHE Serra do Facão, Rio São Marcos, GO. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 461 Os primeiros resultados que se apresentam, na maioria dos projetos, são as cartas básicas, dentre as quais as cartas-imagens da região de estudo, carta da base cartográfica (vias, drenagens, construções, entre outros), cartas hipsométricas, cartas de declividade, cartas geológicas, cartas geomorfológicas, dentre outras cartas que podem compor as cartas básicas. Essas cartas devem obedecer às normas e aos padrões cartográficos de apresentação. A Figura 21 mostra um exemplo de sequência de apresentação de cartas básicas. Figura 21 – Exemplo de apresentação de resultados de cartas básicas para o Projeto UHE Serra do Facão, Rio São Marcos, GO. 462 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Os resultados produzidos pelas interpolações 2,5D e 3D podem ser apresentados de diversas formas. Se o objetivo da pesquisa estiver ligado ao uso e à apresentação de álgebra de mapas, em ambiente SIG 2,5D (onde 2,5D é atribuído para superfícies interpoladas), pode-se realizar os modelos tridimensionais e fatiá-los tanto horizontalmente em qualquer profundidade quanto verticalmente em forma de seções. O produto do fatiamento é convertido para o ambiente SIG 2,5D, que poderá ou não ser utilizado no processo de álgebra de mapas. Esse é um dos motivos para o uso do Spring. A sequência consiste em realizar os modelos dentro do RockWorks 14, fatiar os modelos em profundidades de interesse e depois exportá-los para o Spring. Apesar de o Spring realizar essas operações de modelagem em ambiente SIG 2.5D e obter resultados muito próximos dos resultados fatiados dos modelagens 3D, é muito prático modelar em 3D e fazer somente o processo de fatiamento depois. Como o Spring é um programa computacional com excelente capacidade de análise de mapas, cruzamento de informações e geoestatística, torna-se prático realizar esse tipo de análise nesse programa. Além disso, o Spring está muito mais adaptado para o processo de produção de cartas dentro dos padrões cartográficos do que o RockWorks 14. Em outras palavras, são programas com finalidades diferentes, com padrões de apresentação de resultados diferentes, uso diferenciado, mas que têm um excelente intercâmbio de dados. O usuário deve aproveitar-se disso para realizar os objetivos do trabalho. A Figura 22 mostra uma carta produzida pelo Spring cujo modelo Nspt a 3m é produto do fatiamento de um modelo tridimensional de Nspt produzido no RockWorks 14 e exportado para o Spring. Figura 22 – Exemplo de modelo produzido no RockWorks 14 e exportado para o Spring – Carta de Nspt a 3 m de profundidade no Plano Piloto de Brasília, DF (Alves, 2009). Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 463 Além dos resultados dos modelos 3D fatiados e exportados para um ambiente 2.5D, tem-se a possibilidade de fatiamento na vertical, que pode ser apresentado na forma de seções ou perfis. As seções podem ser de qualquer modelo produzido pelo RockWorks 14. As Figuras 23 e 24 mostram os resultados de uma seção de interesse produzida pelo programa. A Figura 23 mostra o perfil de solo resultante de tal seção, e a Figura 24 mostra os valores de Nspt resultantes também de tal seção. A partir do momento em que a espacialização tridimensional é realizada, torna-se possível extrair qualquer seção de interesse, bem como obter valores de Nspt ou da sequência de horizontes do solo em qualquer posição, o que permite que cálculos, como os de dimensionamento de fundações, sejam realizados com valores mais próximos da realidade, e não com valores médios, como frequentemente ocorre. Figura 23 – Seção A-A’ de solo e estacas escavadas – Projeto Ilhas do Lago. Figura 24 – Seção A-A’de Nspt e estacas escavadas – Projeto Ilhas do Lago. Outra forma de representação, e talvez a que mais se almeja ver como resultado do processo de modelagem 3D de solos, é o modelo tridimensional das 464 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB camadas de solo. A Figura 25 apresenta uma visão geral 3D de horizontes de solos resultantes do processo de interpolação dos dados de sondagem. Percebese pelo modelo que, além da informação visual das camadas de solo, pode haver também a informação de outros parâmetros, como é o caso do nível d’água, que, nessa figura, aflora em alguns locais da obra, o que facilita bastante as interpretações geológicas/geotécnicas do meio. Figura 25 – Modelo tridimensional (3D) do solo (exagero vertical: 2) – Projeto Ilhas do Lago (Silva, 2007). Existem outras formas de representação além da apresentada na Figura 25. Na Figura 26, pode ser visualizada uma forma de representação das camadas de solo, a qual pode ser muito rica em informação e de fácil visualização, um ambiente que pode agregar diversos tipos de representação, como as superfícies das camadas, os edifícios (se for o caso), a localização das sondagens, o nível d’água e, em alguns casos, a espacialização das fundações dos edifícios, entre outras. Figura 26 – Modelo 2,5D de solo com a localização dos furos de sondagem e conjunto de edificações (exagero vertical: 2) – Projeto Ilhas do Lago. Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 465 A Figura 27 mostra um exemplo de espacialização das fundações e sua interação entre a última camada de solo (silte argiloso roxo) e as estacas escavadas. A camada de solo está com efeito de transparência para mostrar o quanto a estaca penetrou na camada. As estacas têm comprimento de aproximadamente 24 m e diâmetro de aproximadamente 50 cm. Figura 27 – Modelo de solo e estacas escavadas – Projeto Ilhas do Lago. O RockWorks 14 ainda permite a criação de modelos fatiados conhecidos como diagramas fence. A vantagem proporcionada por esse tipo de modelo, para interpretação, é a possibilidade de se observar a parte interna dos modelos. A Figura 28 mostra um exemplo desse conjunto de seções ortogonais, identificando valores de Nspt por faixas de cores. Pode-se observar, na figura, a facilidade de visualizar as várias intercalações de solo mole no interior de solo duro. Figura 28 – Seções ortogonais de Nspt (Fence) – Projeto Ilhas do Lago. 466 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 17 Conclusões A elaboração de um método de espacialização levou certo tempo para atingir um bom grau de amadurecimento. Foram quatro anos de pesquisa para se chegar a um método mais concreto e funcional. Felizmente, o método tem gerado bons frutos. Os modelos começam a ter uma boa aceitação tanto no âmbito acadêmico quanto empresarial. Com esse método mais consistente, o PPGG-UnB passa a ter novas perspectivas, com a proposta de estabelecer as correlações entre os modelos físicos juntamente com os modelos geotécnicos. Nesse sentido, as pesquisas começam a caminhar em direção à integração de dados geofísicos e métodos diretos de investigação, como é o caso da sísmica de refração rasa e sondagens a percussão (SPT), provas de carga, ensaios de laboratório, entre outros, no intuito de buscar tais correlações para os modelos. Além disso, há o fato de que esse tipo de informações geológico/geotécnicas de subsuperfícies ainda não é algo do dia a dia de várias obras civis, salvo obras de grande porte, como é o caso de barragens e túneis de grande comprimento, que por si só exigem um programa de investigação direta e indireta mais rigoroso e estudos de casos isolados. Atualmente, o PPGG-UnB tem realizado várias campanhas de sísmica de refração rasa em alguns locais do Plano Piloto de Brasília, incluindo o próprio Campus Universitário Darcy Ribeiro, em áreas de interesse da universidade (locais de futuras construções), com o intuito de buscar parâmetros que possam complementar com mais qualidade as informações extraídas dos modelos tridimensionais. Além disso, há campanhas de métodos elétricos programadas para as mesmas áreas investigadas pela sísmica de refração, escavação de poços de investigação, caracterização geotécnica de amostras, no sentido de estabelecer um modelo geotécnico mais bem definido e, no futuro, expandir os estudos para outras áreas. A elaboração de um banco de dados geográfico com acesso facilitado e o mapeamento tridimensional do subsolo, visando obter o máximo de conhecimento das condições geotécnicas do local da obra ou de um projeto maior, facilitam as análises dos profissionais interessados nesse tipo de informação, ao contrário dos métodos bidimensionais que se aplicam somente aos dados de uma seção específica. A interpolação de dados durante o processo de modelagem 3D promove modelos mais seguros e precisos. Apesar disso, não se descartam, em nenhuma etapa, os processos que envolvem a elaboração de modelos bidimensionais, pois a análise final é sempre feita em conjunto. Vale lembrar que o processo de interpolação e modelagem não depende somente do computador e programa computacional. A experiência do profissional que manipula o programa aliada à experiência geológico/geotécnica do local a ser investigado é fundamental para Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB 467 o sucesso do modelo. Geralmente, isso é feito por uma equipe multidisciplinar, cujos membros interagem para estabelecer o produto final do processo. Após várias apresentações em congressos e simpósios a respeito do assunto, já se pode notar alguma mudança de comportamento de várias empresas. Algumas delas já estão buscando mecanismos de cadastro de sondagens mais atuais, preocupadas principalmente em dinamizar ou mesmo criar um sistema de banco de dados mais eficiente. Além disso, após a apresentação de vários estudos de casos de sucesso e insucesso, o mercado passou a perceber o valor dessa ferramenta de modelagem 3D de solo. O estudo geoestatístico, com base em interpoladores como a krigeagem, além do uso do interpolador inverso ponderado da distância IDW, tem-se mostrado uma valiosa ferramenta, principalmente quando a estimativa de valores, com controle e quantificação de erros, de dados provenientes de ensaios de campo, torna-se necessária. Nesse caso, tanto o Spring, para análises 2,5D, quanto o RockWorks 14, para análise 2,5D e 3D, mostram-se ótimas ferramentas de modelagem. Percebe-se a diferença entre o mapa bidimensional e estático comparado a um mapa tridimensional e interativo, do ponto de vista cartográfico. Um exemplo disso foi a geração dos modelos tridimensionais das edificações, os quais, mesmo com generalizações na representação, ajudam o usuário na reconstrução do ambiente real tridimensional. Além disso, torna-se fácil produzir mapas bidimensionais e seções de interesse a partir do modelo 3D. Para o caso dos solos de Brasília, os perfis de solo baseados nos relatórios de sondagem mostraram que é perfeitamente possível e adaptável o perfil apresentado por Martins (2000). Porém, tal perfil (completo) não foi revelado em tal pesquisa, o que chama mais à atenção a descrição do tipo de solo observado em campo, em especial a presença ou não de cascalho laterítico, couraça, carapaça e zona mosqueada. Um dos principais fatores para a não detecção dessas camadas intermediárias, propostas por Martins (2000), é o uso da água para lavagem durante o processo de ensaio, o que pode destruir a estrutura de tais camadas, que, muitas vezes, apresentam pouca espessura em campo, não passando de poucos centímetros. Além disso, não há como detectar a presença dessas zonas com cascalho laterítico e demais nos valores de Nspt, o que, muitas vezes, é observado com picos de Nspt elevados logo nos primeiros metros de ensaio. Isso sugere outro tipo de investigação em campo mais minuciosa, como ensaios geofísicos que não destroem a estrutura do solo. O uso de tecnologia avançada para o processamento de dados por outro lado passa a colocar a exigência de uma melhor qualidade dos dados gerados nas investigações geotécnicas, concorrendo para uma melhoria nos projetos de engenharia que certamente resultarão em economia e melhor qualidade. 468 Livro Comemorativo dos Vinte Anos do Programa de Pós-Graduação em Geotecnia – UnB Bibliografia ABEL, L.S. (2002). Caracterização Geológica-Geotécnica do Solo de Laulane para Fundações de Edifícios. Dissertação (Mestrado em Geotecnia). Departamento de Engenharia Civil, Universidade de Brasília, Brasília, DF. 172 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1983). Norma Técnica NBR 8036 – Programação de sondagens de simples reconhecimento dos solos para fundações de edifícios. Rio de Janeiro, RJ. 18 p. ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. (1995). 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